Wykorzystywanie energi promieniowania słonecznego

WYKORZYSTYWANIE ENERGI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO

Do Ziemi dociera promieniowanie słoneczne zbliżone widmowo do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze ok. 5700 K.
Moc energii emitowanej przez słońce szacowana jest na 1023 kW. Do powierzchni naszej planety dociera z tego tylko znikoma część, która jest jednak wiele tysięcy razy większa od ogólnej ilość energii wytwarzanej na ziemi. Zainteresowanie energią słoneczną ciągle rośnie, a specjaliści upatrują w niej ogromne energetyczne perspektywy.
Klimat Polski nie jest tak sprzyjający, jak w krajach południowych ale warunki pogodowe są bardzo zbliżone do występujących w Niemczech, a korzystniejsze niż w Skandynawii.

Dodatkowo, z ekologicznego punktu widzenia energia promieniowania słonecznego jest najbardziej atrakcyjna spośród energii odnawialnych. Jej pozyskiwanie nie powoduje żadnych efektów ubocznych, szkodliwych emisji, czy zubożenia zasobów naturalnych, a instalowanie urządzeń głównie na obiektach architektonicznych, nie wpływa zasadniczo na krajobraz.

Najpowszechniej stosowanym urządzeniem do pozyskiwania energii słonecznej jest kolektor słoneczny. Warunkiem funkcjonowania jest jego usytuowanie w dobrze nasłonecznionym miejscu. Przy słonecznej pogodzie może on pełnić swoją funkcję nawet w stosunkowo niskich temperaturach otoczenia. W standardowych rozwiązaniach płaskich kolektorów słonecznych temperatura absorbera i co za tym idzie, czynnika grzewczego nie przekracza 100 °C, jednak przy odpowiednich modyfikacjach można uzyskać nawet 190 °C.

Najkorzystniejsze jest wykorzystywanie kolektorów w systemach przygotowania ciepłej wody użytkowej i ocieplenia wody w basenach kąpielowych. Inne zastosowania to pielęgnacja zwierząt, podlewanie roślin w szklarniach, przygotowanie pasz i wody technologicznej w małych zakładach przetwórstwa rolno - spożywczego czy ocieplanie wody w stawach rybnych.

Poza wodnymi istnieją także kolektory słoneczne powietrzne. Są one budowane zwykle sposobem gospodarczym i z tego względu umykają statystykom. Ich główne zastosowanie to suszenie roślin, ziarna, drewna i materiałów budowlanych, a niekiedy też regulacja mikroklimatu w przechowalniach płodów rolnych, ogrzewanie pomieszczeń inwentarskich, hal, magazynów, szklarni, tuneli foliowych i budynków mieszkalnych.

Energię słoneczną używa się do ogrzewania domów mieszkalnych zakładając ogniwa fotowoltaiczne zamieniające światło na prąd lub wykorzystując światło do ogrzewania wody w specjalnych zbiornikach umieszczonych na dachach zwanych kolektorami.

*W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania:
- bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej
- rozproszone powstaje w wyniku wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery
- odbite powstaje w skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia.

W naszym kraju istnieją dobre warunki do wykorzystania energii promieniowania słonecznego przy dostosowaniu typu systemów i właściwości urządzeń wykorzystujących tę energię do charakteru, struktury i rozkładu w czasie promieniowania słonecznego.
Wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie.
Największym problemem nie jest pozyskanie tej energii (słonecznej) lecz jej zmagazynowanie i wykorzystanie we właściwym czasie.

Systemy solarne można więc podzielić na następujące grupy:
aktywne (z wymuszonym obiegiem grawitacyjnym - całoroczne instalacje), do instalacji dostarcza się dodatkową energię z zewnątrz, zwykle do napędu pompy lub wentylatora przetłaczających czynnik roboczy (najczęściej wodę lub powietrze) przez kolektor słoneczny. Funkcjonowanie kolektora słonecznego jest związane z podgrzewaniem przepływającego przez absorber czynnika roboczego, który przenosi i oddaje ciepło w części odbiorczej instalacji grzewczej.

pasywne (grawitacyjne - instalacje letniskowe), do swego działania nie potrzebują dodatkowej energii z zewnątrz. W tych systemach konwersja energii promieniowania słonecznego w ciepło zachodzi w sposób naturalny w istniejących lub specjalnie zaprojektowanych elementach struktury budynków pełniących rolę absorberów.

W obu przypadkach zamiana energii promieniowania słonecznego odbywa się w specjalnych elementach kolektorów słonecznych zwanych absorberami. Transmisja zaabsorbowanej energii słonecznej do odbiorników odbywa się w specjalnych instalacjach.

Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy od dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (np. do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (np. powietrza oraz ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe’a. Wykorzystywanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym, a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody oraz przy suszeniu płodów rolnych.

Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m2 kolektorów) jak i duże instalacje ( o powierzchni kolektorów powyżej 500 m2 ) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic czy miasteczek.

W Polsce dotychczas nie przeprowadzano inwentaryzacji istniejących instalacji słonecznych. Jest ich z pewnością niewiele, ale w kraju działają już firmy oferujące słoneczne aktywne systemy cieczowe.

Niektóre wykonały nawet instalacje o całkowitej powierzchni kolektorów rzędu 100 m2.
Poniżej kilka przykładów ich zastosowań:

Wyższa Szkoła Oficerska we Wrocławiu - kryty basen pływacki jest ogrzewany z wykorzystaniem kolektorów słonecznych. Basen o pojemności 125 m3 jest dogrzewany przez 96 płaskich kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni 125 m 2. Ogrzewanie słoneczne pracuje równolegle z tradycyjnym, pozwalając na oszczędność energii konwencjonalnej.

Klasztor w Zawoi dzięki lokalizacji (odsłonięty teren wyżynny) ma stosunkowo dobre nasłonecznienie. Wykorzystano to, zakładając na dachu 8 kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni 15 m2. (Kolektory, wraz z bojlerem i pompą ciepła kosztowały ok. 16500 PLN). W klasztorze zastosowano również częściowo ogrzewane podłogi.

Zakład Doświadczalny Hodowli Bydła w Poznaniu - Strzeszynie od roku 1985 używa do podgrzewania wody 100 kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni 165 m2 i mocy 236 kW.

Szpital miejski w Gostyninie - dysponuje kolektorami o powierzchni 20 m2, indywidualny użytkownik pod Poznaniem - 70 m2, a w Wólce Soseńskiej k/Siedlec - 200 m2. Aktualnie Zarząd Gminy Zębowice ogłosił przetarg na budowę instalacji grzewczej z zastosowaniem kolektorów słonecznych i pompy ciepła w gimnazjum w Zębowicach.