Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/21/-1/11/

300 lat temu energię czerpano wyłącznie ze źródeł odnawialnych Zwróćmy się ku Słońcu!
Informacje Numery Numer 10/2002

Warto uświadomić sobie fakt, że jeszcze 300 lat temu do celów energetycznych stosowano na naszej planecie wyłącznie odnawialne źródła energii. Biopaliwa (głównie drewno) używane były do celów grzewczych, a do transportu używano zwierząt, wiatru i wody. Dopiero rewolucja przemysłowa spowodowała gwałtowne zapotrzebowanie na energię dla przemysłu oraz transportu i od tej pory kopalne nośniki energii zajmują czołową pozycję.

Przez ostatnie 150 lat potrzeby energetyczne ludności zaspokajano głownie przez spalanie węgla, gazu ziemnego i pochodnych ropy. Utrzymanie tego stanu w dalszej perspektywie jest już niemożliwe. Biorąc bowiem pod uwagę zasoby paliw kopalnych i obecny poziom zużycia energii obliczono, że ropy wystarczy na około 50 lat, gazu ziemnego na 80 lat, a węgla na 250 lat. Zwiększenie zużycia energii, pochodzącej ze spalania paliw kopalnych natrafiło na kolejną barierę, tzw. barierę przetwarzania. Środowisko naturalne nie jest już w stanie wchłaniać produktów spalania bez skutków ubocznych z których najważniejsze to globalne ocieplenie klimatu i kwaśne deszcze.
Alternatywą dla paliw kopalnych jest energia jądrowa, jednak ta z konwencjonalnymi technologiami napotyka na wiele problemów. Jednym z nich są trudności z utylizacją pokaźnej ilości odpadów paliwa jądrowego, innym natomiast poważny opór obrońców środowiska w wielu krajach po groźnych awariach w Rosji, Japonii oraz USA.

Rysunek 1. Schematy układów do podgrzewania wody kolektorami słonecznymi

Kolektory słoneczne są podstawowymi elementami słonecznych instalacji grzewczych. Służą do przemiany energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Zasady konwersji energii słonecznej w ciepło użyteczne bezpośrednio wpływają na konstrukcję oraz materiały i technologie stosowane do budowy kolektorów.
Najprostszym kolektorem słonecznym jest pomalowany na czarno zbiornik wodny wystawiony na bezpośrednie działanie promieni słonecznych.
Pierwsze kolektory były produkowane już pod koniec XIX wieku i wyglądały podobnie. Były to czarne pojemniki, umieszczone obok siebie w skrzynce sosnowej, czasami przesłoniętej szybą, zamocowane na południowej części dachu, podgrzewały wodę do celów sanitarnych i gospodarczych.

Rysunek 2. Schemat układu do podgrzewania wody (system pośredni).

Kolektor słoneczny składa się z następujących elementów: absorber, pokrycie przezroczyste kolektora, izolacja cieplna.
Zasadniczym elementem kolektora jest absorber, czyli płyta pochłaniająca, umieszczona na warstwie izolacyjnej, zapobiegającej stratom ciepła. Płyta wystawiona na działanie promieniowania słonecznego częściowo te promienie odbija, przepuszcza i pochłania. Pochłonięta część energii zamienia się na ciepło, powodując wzrost temperatury czynnika roboczego.
Materiały, z których wykonuje się absorbery powinny mieć dobre przewodnictwo cieplne, małą gęstość, odporność na korozję od strony czynnika roboczego i od składników atmosferycznych, a także odporność na wysokie temperatury.
Dobre przewodnictwo cieplne materiału absorbera ma szczególne znaczenie w kolektorach słonecznych do podgrzewania wody, gdzie powierzchnia styku czynnika roboczego z powierzchnią absorbera jest mniejsza od jego powierzchni. W kolektorach powietrznych, w których następuje omywanie całej powierzchni absorbera przez czynnik roboczy, przewodność płyty nie ma większego znaczenia. Dlatego absorbery kolektorów wodnych wykonuje się najczęściej z metali, a rzadziej z tworzyw sztucznych, natomiast absorbery kolektorów powietrznych wykonuje się z metali, tworzyw sztucznych, a także z materiałów budowlanych (tabela 1).

Tabela 1
Termofizyczne właściwości materiałów stosowanych w kolektorach słonecznych.

Materiał
Gęstość[kg/m3]
współczynnik przewodzenia ciepła [W/m K]
Miedź
8795
385
Aluminium
2675
211
Stal
7850
46.6
Szkło budowlane
2515
1,005
Beton
2400
1,73
Tynk
881
0,170
Dąb
770
0,160
Azbest luźny
500
0,154
Płyta korkowa
144
0,041
Płyta z wełny mineralnej
32
0,035
Poliuretan(płyta piankowa)
24
0,024
Polistyren porowaty(styropian)
16
0,24

Jeżeli czynnikiem roboczym jest woda pitna, nie jest wskazane stosowanie na absorbery stali węglowej, aluminium i stali galwanizowanej. Należy natomiast stosować stal nierdzewną, miedź lub tworzywa sztuczne.
Temperatura absorbera pokrytego zwykłą czarną matową farbą (α/ε~1), w słoneczny dzień (dla Hb=800 W/m2), ustala się na poziomie 343 K (70°C). W celu zwiększenia temperatury równowagi, czyli ilości zaabsorbowanej energii, można:
- absorber pokryć powłokami selektywnymi, dla których α/ε=8,5 Cu pasywowane NaOH i NaClO2;
- ograniczyć konwekcyjne straty ciepła poprzez pokrycie absorbera dodatkową, przezroczystą osłoną, np. tworzywem pleksi, szkłem hartowanym, PC, PA, PET lub zwykłym szkłem;
- skoncentrować promieniowanie słoneczne układem luster płaskich, parabolicznych lub soczewek.

Kolejnym ważnym elementem jest pokrycie kolektorów. Podstawową właściwością materiałów, służących do pokrycia kolektorów, jest duża przepuszczalność promieniowania słonecznego (tabela 2), przy zachowaniu stabilności barwy (odporność na promieniowanie nadfioletowe - promieniowanie UV) i trwałość.
Najtrwalszym materiałem pokryciowym jest szkło hartowane i zwykłe budowlane. Tego typu pokrycie kolektorów może służyć nawet przez 50 lat. Teflon wykazuje trwałość przez 20 lat. Inne materiały pokryciowe z tworzyw sztucznych muszą być wymieniane po okresie zazwyczaj krótszym od 5 lat.
Zastosowanie w tych materiałach stabilizatorów nadfioletowych, czyli małych ilości pigmentów absorbujących promieniowanie UV, pozwala na wydłużenie okresu użytkowania nawet o 100%. Na przykład okres trwałości pleksi, po zastosowaniu stabilizatorów wydłuża się o minimum pięć lat.
Inne wymagania w stosunku do pokryć przezroczystych kolektorów słonecznych, to także odpowiednia wytrzymałość, zapewniająca przejęcie obciążeń od wiatru, deszczu, gradu i wywołanych parciem śniegu.
Ponadto materiały pokryciowe powinny być twarde, łatwe w obróbce, o małej nasiąkliwości oraz dobrej zmywalności. Ich zamocowanie w obudowie musi umożliwić kompensację wydłużeń, spowodowanych zmianami temperatury w przedziale od -25 st. C do 150 st. C. Jednocześnie pokrycie to powinno być na tyle hermetyczne, aby skutecznie ograniczało straty ciepła i przeciwdziałało osiadaniu kurzu na powierzchni absorbera.

Tabela 2
Współczynniki przepuszczalności promieniowania słonecznego materiałów stosowanych na pokrycie kolektorów słonecznych

Rodzaj materiału
Grubość(mm)
Przepuszczalność(%)
Poliwęglan
3,20
82-89
Poliester zbrojony
1,00
77-89
Szkło budowlane hartowane
3,00
86-93
Polietylen
0,10
91
PVC
0,25
88
Poli(metakrylan metylu) (Pleksi)
3,20
84-92
Poliamid
0,10
91
Teflon poliwęglowy
2,50
96


Izolacja cieplna to następny omawiany element kolektora słonecznego. Materiał izolacyjny powinien mieć możliwie mały współczynnik przewodzenia ciepła i małą gęstość. Ponadto materiał ten powinien charakteryzować się odpornością na zmiany temperatury, niezmiennością objętości, odpornością na działanie czynników atmosferycznych oraz dużą wytrzymałością mechaniczną.
W praktyce przyjmuje się taką grubość izolacji, aby strumień ciepła, przenikający przez tylną ściankę kolektorów był mniejszy od 1 W/m kw. dla kolektorów eksploatowanych przez cały rok i mniejszy od 5 W/m kw. dla kolektorów używanych w okresie letnim.
W przypadku kolektorów eksploatowanych tylko w okresie letnim, przy małych przyrostach temperatur czynnika roboczego, w wielu przypadkach można zrezygnować z zastosowania izolacji cieplnej.
W kolektorach słonecznych, budowanych sposobem gospodarczym, stosuje się niekiedy reflektory płaskie (lustra), zwiększające gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego, padającego na powierzchnie absorbera. Dzięki temu można stosować mniejsze powierzchnie absorberów lub wyższe temperatury czynników roboczych. Umożliwia to także zwiększenie wydajności cieplnej kolektora słonecznego. Reflektor powinien charakteryzować się dużymi wartościami współczynnika odbicia promieniowania słonecznego i odpornością na korozję (tabela 3).
Tabela 3
Wartości współczynnika odbicia promieniowania słonecznego dla materiałów stosowanych do wykonania reflektorów.

Rodzaj pokrycia
Współczynnik odbicia(%)
Aluminium czyste
89
Aluminium handlowe
80
Nikiel polerowany
60
Stal węglowa
58
Stal ocynkowana
64
Metal srebrzony elektrolitycznie
96


Kolektory słoneczne budowane są najczęściej z materiałów powszechnie dostępnych na rynku, jednak wykorzystywane są również materiały specjalne, które zostały opracowane przede wszystkim dla kolektorów. Materiały te są skuteczniejsze w adsorbowaniu energii słonecznej, a co za tym idzie - droższe. Takimi materiałami pokrywane są absorbery. Są to mikronowej grubości folie z aluminium lub niklu, nanoszone na absorber w procesie adhezji. Folie te mają właściwości selektywnej absorpcji i emisji promieniowania i zastępują powłoki wykonywane metodą galwaniczną.
Tańszym materiałem, a więc również o mniejszych właściwościach selektywnej absorpcji i emisji promieniowania jest lakier solarny o odpowiednio dobranym składzie komponentów.
Innym rodzajem materiałów są instalacje transparentne. Charakteryzują się małą przewodnością cieplną, dużą przepuszczalnością promieni słonecznych (>50%) i niewielką gęstością (30-100 kg/m sześc.). Substancją o takich właściwościach jest tzw. aerożel o superporowatej strukturze, charakteryzujący się znakomitymi własnościami izolacyjnymi. Drugim rodzajem izolacji transparentnej jest płyta złożona z rurek - kanalików. Kanaliki mogą być zamknięte i wypełnione gazem szlachetnym lub otwarte i wypełnione powietrzem.
Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową występuje w wielu sektorach gospodarki – głównie w rolnictwie. W sposób najprostszy energię słoneczną można w Polsce zastosować do podgrzewania wody w domach mieszkalnych, budynkach inwentarskich do przygotowania paszy i pojenia zwierząt, podgrzewania wody w stawach hodowlanych ryb, w szklarniach do podlewania roślin, a także do podgrzewania wody w basenach kąpielowych.
Istnieje wiele układów podgrzewania wody użytkowej. Możemy sklasyfikować je według podziału na układ bezpośredni i pośredni. Najprostszy jest układ bezpośredni (rysunek 1a), w którym woda z sieci wodociągowej przepływa przez kolektor i po podgrzaniu jest kierowana do użytkowania. Przyrosty temperatury wody są niewielkie - kilkanaście stopni Celsjusza – ale tu można uzyskać wysokie sprawności.
Większą stabilizację temperatury na wyższym poziomie (40-50 st. C) można osiągnąć stosując układ bezpośredni przepływowy ze zbiornikiem wodnym (rysunek 1b).

Rysunek 1. Schematy układów do podgrzewania wody kolektorami słonecznymi
Jeszcze lepsze parametry można uzyskać w ładzie bezpośrednim z grawitacyjnym obiegiem wody (rysunek 1c). Aby otrzymać taki układ, poziom dna zasobnika powinien znajdować się minimum 40 cm ponad górną powierzchnią kolektora. W przypadku kolektorów montowanych na dachu budynku nie zawsze jest to możliwe, dlatego system ten jest zalecany wtedy, gdy kolektor słoneczny montuje się na południowej ścianie budynku.
Przepływ wody spowodowany jest różnicą gęstości wody podgrzanej w kolektorze i wody o niższej temperaturze w zasobniku. Im większa różnica temperatur, tym większa różnica gęstości i tym intensywniejszy przepływ wody przez kolektor.
Kolejny rysunek (rysunek 1d) przedstawia układ o wymuszonym obiegu wodnym pompą cyrkulacyjną. Praca pompy jest sterowana tak, aby przepływ wody zachodził tylko wówczas, gdy temperatura w kolektorze jest o 2-5 st. C wyższa od temperatury wody w zbiorniku.
Przedstawione układy są układami bezpośrednimi ze względu na bezpośredni kontakt wody użytkowej z kolektorem. Układy te mają prostą budowę i wysoką sprawność. Ich wadą jest to, że kolektory i instalacje wymagają materiałów odpornych na korozję i nie mogą być eksploatowane w okresie zimowym.
Tych wad nie posiadają układy pośrednie, w których obieg cieczy roboczej w kolektorze jest oddzielony od obiegu wody użytkowej wymiennikiem ciepła (rysunek 2a). W tych układach czynnikami roboczymi mogą być oleje oraz płyny o niskich temperaturach krzepnięcia np. wodne roztwory glikolów etylenowych i propylenowych. Czasami stosuje się jeszcze jeden obieg pośredniczący (rozdzielający) w sytuacji, gdy istnieje niebezpieczeństwo przedostania się toksycznego czynnika roboczego z obiegu kolektora do obiegu wody użytkowej (rysunek 2b). Układ ten wymaga stosowania urządzeń zabezpieczających - zbiorników kompensacyjnych i zaworów bezpieczeństwa, aby uniknąć niebezpiecznego wzrostu ciśnienia, spowodowanego np. przerwą w dostawie energii elektrycznej do pompy cyrkulacyjnej.

Rysunek 2. Schemat układu do podgrzewania wody (system pośredni).
Tego typu systemy powinny być powszechnie stosowane w strefach klimatycznych, w których okresowo występują spadki temperatury poniżej 0 st. C, a więc również w Polsce. Wówczas nie trzeba spuszczać wody w przypadku mrozu.
W większości instalacji strumień energii promieniowania słonecznego jest niewystarczający do zapewnienia dostawy odpowiedniej ilości ciepłej wody. Nawet latem może wystąpić kilka pochmurnych dni, przez co w zbiorniku może zabraknąć ciepłej wody. Wówczas konieczne jest stosowanie dodatkowego źródła ciepła, którym mogą być automatycznie włączane grzałki elektryczne.
W większości układów polepszenie warunków zasilania w ciepłą wodę można uzyskać, wykorzystując zjawisko stratyfikacji (rozwarstwienia) wody w zbiorniku. Woda cieplejsza, na skutek różnicy temperatur i gęstości, gromadzi się w górnej części zbiornika, a chłodniejsza w dolnej. Wzmocnienie stratyfikacji można uzyskać przez podział na sekcje zbiornika wody ciepłej (rysunek 2c). Te układy umożliwiają zwiększenie temperatury wody pobieranej z górnej części zasobnika, przy jednoczesnym obniżeniu temperatury wody i strat ciepła w zbiorniku dolnym.
Oprócz systemów do podgrzewania wody, istnieją również słoneczne systemy z płaskimi kolektorami do podgrzewania powietrza.
W skład takiej instalacji, oprócz kolektorów słonecznych wchodzą kanały powietrzne, wentylatory, akumulatory ciepła, klapy i zasuwy regulacyjne oraz systemy rozprowadzające ciepłe powietrze po ogrzewanych pomieszczeniach.
W powietrznych kolektorach słonecznych energia pochłonięta przez absorber jest oddawana w postaci ciepła strumieniowi przepływającego powietrza w odpowiednio ukształtowanym kanale kolektora.
Powietrze jako czynnik roboczy w kolektorach ma wiele zalet. Jest powszechnie dostępne, nic nie kosztuje, jest nietoksyczne, nie zamarza, jego agresywność korozyjna jest stosunkowo mała i nie zmienia stanu skupienia w zakresie temperatur, w jakich pracują kolektory słoneczne. W związku z tym kolektory słoneczne do podgrzewania powietrza nie muszą być hermetyczne i zabezpieczane antykorozyjnie w takim stopniu jak kolektory do podgrzewania wody. Ponadto są one lżejsze i tańsze od kolektorów wodnych o tej samej wydajności. Jednak w przypadku, gdy użytkownik potrzebuje ciepłej wody, raczej stosuje się kolektory cieczowe, ze względu na większą efektywność czynnika roboczego w odbieraniu ciepła od absorbera kolektora słonecznego.
Największe zapotrzebowanie na ciepło występuje przy najniższych temperaturach w okresie zimowym, gdy temperatura w budynku mieszkalnym powinna wynosić 18-25 st. C.
Chociaż przy małym nasłonecznieniu zimą możliwe jest uzyskanie temperatury powietrza w kolektorach słonecznych około 25-30 st. C, to jednak do ogrzewania domku jednorodzinnego konieczna jest współpraca kolektora z konwencjonalnym ogrzewaniem (przykładowo elektrycznym) lub pompą ciepła. Wykorzystuje się w tym przypadku niskotemperaturowe systemy ogrzewania podłogowego, lub specjalnie zbudowane kanały w ścianach budynku.
W miarę jak rosną ceny kopalnych nośników energii, kolektory słoneczne zyskują coraz szersze zastosowanie w krajach Unii Europejskiej. W tym obszarze przodują Niemcy, w których nasłonecznienie jest porównywalne z istniejącym w naszym kraju. Skoro w RFN kolektory słoneczne przynoszą odczuwalne efekty ekonomiczne, to i w Polsce – szczególnie na wsi – korzyści z ich stosowania będą równie znaczące w budżecie rodziny.


prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski




| Powrót |

Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/21/-1/11/

Copyright (C) Gigawat Energia 2002