Kolektorów słonecznych

KOLEKTORY SŁONECZNE
14B
dr inż. Adrian Trząski
dr inż. Andrzej Wiszniewski
1
1. Kolektory słoneczne cieczowe
96B
1.1 Zasada działania
97B
Cieczowe kolektory słoneczne wykorzystują zjawisko konwersji fototermicznej, polegające na
przetworzeniu energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Dzięki temu zjawisku
energia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora słonecznego,
jest wykorzystywana do podniesienia temperatury przepływającej przez absorber cieczy. W
zależności od rodzaju instalacji pozyskane ciepło jest następnie wykorzystywane
bezpośrednio lub za pośrednictwem
wymiennika ciepła. Ciecz wykorzystywana do
transportu
ciepła
nazywana
jest
czynnikiem
roboczym.
Ze
względu
na charakter występowania zapotrzebowania na ciepło i dostępności promieniowania
słonecznego pozyskane ciepło jest zwykle magazynowane za pomocą zasobników ciepła.
Kolektory cieczowe używane są obecnie głównie do podgrzewania wody przeznaczonej
do celów sanitarnych. Ponadto są one używane do podgrzewania wody w basenach
kąpielowych, mogą być również wykorzystywane do wspomagania systemów ogrzewania
budynków. Ze względu na charakterystykę dostępności promieniowania słonecznego
w większości przypadków kolektory muszą być wspomagane przez inne źródło ciepła jak
np. kotły grzewcze lub pompy ciepła. Typowy zakres temperatur pracy kolektorów
cieczowych wynosi od 40 do 60°C, choć w niektórych zastosowaniach czynnik roboczy
podgrzewany jest do temperatur poniżej 30°C (np. w basenach kąpielowych) lub
przekraczających 80°C lub nawet, w przypadku kolektorów skupiających, setek stopni
Celsjusza (ciepło technologiczne).
1.2 Typy urządzeń, charakterystyczne parametry techniczne (moc zainstalowana,
roczna produkcja ciepła)
98B
Kolektory cieczowe można podzielić na dwie podstawowe grupy, różniące się między sobą
sposobem pozyskiwania energii słonecznej:
1. kolektory płaskie,
2. kolektory skupiające.
Kolektory skupiające wykorzystują promieniowanie słoneczne padające na znacznie większą
powierzchnię od powierzchni absorbera, co pozwala na uzyskanie znacznie wyższych
temperatur w stosunku do klasycznych kolektorów płaskich. Ponieważ w przypadku
podgrzewania wody na cele sanitarne, grzewcze lub w basenach kąpielowych wymagana
temperatura nie przekracza zwykle 60°C, w zastosowaniach tych najczęściej wykorzystuje
się kolektory płaskie.
Należy zwrócić uwagę na fakt, iż termin „płaskie” odnosi się do kształtu absorbera,
a nie do obudowy kolektora słonecznego. Kolektory płaskie, w zależności od rozwiązań
konstrukcyjnych, mających na celu ograniczenie strat ciepła podczas ich eksploatacji można
podzielić na:
1. kolektory odkryte,
2. kolektory zakryte,
3. kolektory próżniowe.
Kolektory odkryte mają najprostszą konstrukcję, w której brakuje jakiejkolwiek izolacji
termicznej absorbera, co sprawia że mają zastosowanie praktycznie jedynie w przypadku
2
podgrzewania wody do niewielkich temperatur (rzędu 30-40°C) i eksploatowanych
w korzystnych warunkach atmosferycznych (wysoka temperatura powietrza zewnętrznego).
Kolektory zakryte, wykorzystują przykrycie przeźroczyste, oraz boczną i spodnią izolację
termiczną ograniczające straty ciepła do otoczenia, dzięki czemu możliwa jest eksploatacja
kolektora w mniej korzystnych warunkach atmosferycznych i uzyskanie temperatury wody
powyżej 40°C.
Kolektory próżniowe wykorzystują jako izolację termiczną wysoką próżnię utrzymywaną
najczęściej wewnątrz rur szklanych, dlatego też nazywane są często kolektorami rurowymi.
Wykorzystanie próżni pozwala na jeszcze skuteczniejsze ograniczenie strat ciepła,
pozwalając na eksploatację kolektora nawet przy bardzo niekorzystnych warunkach
atmosferycznych.
Najważniejszą cechą charakteryzującą kolektor słoneczny jest sprawność decydująca o jego
mocy w danych warunkach pracy, a co za tym idzie, ilości energii, jaką możemy za jego
pośrednictwem uzyskać.
Sprawność kolektora cieczowego zależy od warunków jego eksploatacji (natężenia
promieniowania słonecznego oraz różnicy temperatury kolektora i otoczenia) i jest określana
na podstawie następujących parametrów:
1. sprawność optyczna – jest to najwyższa sprawność danego kolektora wynikająca
z jego konstrukcji określana współczynnikiem η0 ,
2. współczynniki strat k1 i k2 – charakteryzujące wielkość strat wynikających z różnicy
temperatury kolektora i otoczenia.
Aby ujednolicić metodą obliczeniową i umożliwić porównywanie różnych kolektorów przyjęto,
że sprawność optyczna i współczynniki strat wyznacza się w stosunku
do powierzchni apertury (czynnej) kolektora. Powierzchnia ta jest wyznaczana w ściśle
określony sposób zarówno dla kolektorów płaskich jak i próżniowych.
Tabela 1 Podstawowe parametry płaskich kolektorów cieczowych
Typ kolektora
Parametr Jednostka
odkryte
zakryte
próżniowe
η0
0,7-0,9
0,7-0,8
0,75-0,85
k1
W/(m2K)
12-25
3,5-6
1,3-2
k2
W/(m2K2)
0,01-0,02
0,005-0,01
Możliwe do osiągnięcia za pośrednictwem kolektorów cieczowych zyski energetyczne zależą
w głównej mierze od powierzchni absorbera zainstalowanych kolektorów słonecznych.
Poniższa tabela przedstawia wpływ wielkości powierzchni absorbera na wydajności instalacji
solarnej.
3
Tabela 2 Porównanie wydajności systemów wykorzystujących zakryte i próżniowe
kolektory słoneczne
Jednostka
stopień pokrycia
zapotrzebowania
%
uzysk jednostkowy
kWh/m
sprawność
konwersji
%
2
Rodzaj
kolektora
płaski
próżniowy
płaski
próżniowy
płaski
próżniowy
Powierzchnia kolektorów /zapotrzebowanie
dobowe
2
3
m /(100dm /d)
1
2
3
4
5
27%
46%
58%
64%
67%
31%
53%
67%
73%
76%
549
459
388
320
268
617
533
447
367
307
54%
45%
38%
31%
26%
60%
52%
44%
36%
30%
Poza powierzchnią kolektora na jego wydajność wpływają również inne parametry takie jak:
orientacja, pożądana temperatura wody, objętość zasobnika ciepła. Zasobnik solarny
powinien pozwolić na zmagazynowanie ilości ciepła odpowiadającej co najmniej dobowemu
zapotrzebowaniu na ciepłą wodę użytkową, dalsze zwiększanie jego pojemności wpływa
w niewielkim stopniu na wydajność instalacji solarnej (patrz poniższe tabele). W praktyce
stosuje się zwykle zasobniki pozwalające na zmagazynowanie ciepłej wody w ilości
od 1,5 do 2-krotnego dziennego zapotrzebowania.
Tabela 3 Wpływ powierzchni kolektora słonecznego i pojemności zasobnika na
wydajność – kolektor zakryty
Pojemność zasobnika/
Powierzchnia/zapotrzebowanie dobowe
zapotrzebowanie
dobowe
m2/(dm3/d)
3
3
dm /(dm /d)
1
1,5
2
2,5
3
1
0,58
0,80
0,97
1,11
1,23
1,25
0,59
0,81
0,99
1,13
1,25
1,5
0,60
0,82
1,00
1,15
1,27
1,75
0,60
0,83
1,01
1,16
1,28
2
0,61
0,83
1,02
1,17
1,30
Tabela 4 Wpływ powierzchni kolektora słonecznego i pojemności zasobnika na
wydajność – kolektor próżniowy
Pojemność zasobnika/
Powierzchnia/zapotrzebowanie dobowe
zapotrzebowanie
m2/(dm3/d)
dobowe
1
1,5
2
2,5
3
1
0,57
0,8
0,99
1,14
1,24
1,25
0,58
0,8
0,99
1,15
1,25
1,5
0,58
0,81
1,00
1,16
1,26
1,75
0,58
0,81
1,00
1,17
1,26
2
0,58
0,81
1,01
1,17
1,27
W przypadku eksploatacji całorocznej największe zyski energetyczne można osiągnąć
dla kolektora zorientowanego w kierunku południowym nachylonym do powierzchni gruntu
pod kątem 30 – 45o (patrz poniższe tabele). Większe nachylenie kolektora pozwala
na zwiększenie uzysku energii w zimie, kosztem ograniczenia wydajności instalacji solarnej
4
w lecie. W przypadku instalacji eksploatowanych sezonowo (np. jedynie w lecie)
korzystniejsze może być pochylenie kolektora pod kątem mniejszym od 30 o.
Tabela 5 Wpływ orientacji i pochylenia kolektora słonecznego na jego wydajność –
kolektor zakryty
Pochylenie
o
0
15
30
45
60
75
90
S
0,90
0,97
1,01
1,00
0,95
0,85
0,71
Orientacja
E, W
NW, NE
0,90
0,90
0,89
0,83
0,88
0,75
0,85
0,67
0,80
0,6
0,73
0,53
0,63
0,46
SW, SE
0,90
0,95
0,98
0,97
0,92
0,83
0,71
N
0,90
0,80
0,68
0,56
0,46
0,39
0,33
Tabela 6 Wpływ orientacji i pochylenia kolektora słonecznego na jego wydajność –
kolektor próżniowy
Pochylenie
o
0
15
30
45
60
75
90
S
0,90
0,97
1,00
1,00
0,96
0,87
0,75
Orientacja
SW, SE
E, W
NW, NE
0,90
0,90
0,90
0,95
0,89
0,83
0,97
0,88
0,75
0,97
0,86
0,68
0,93
0,81
0,62
0,85
0,75
0,56
0,75
0,66
0,49
N
0,90
0,80
0,69
0,59
0,50
0,44
0,38
Pożądana wartość temperatury wody użytkowej wpływa na wielkość strat z kolektora
słonecznego w wyniku wymiany ciepła absorbera z otoczeniem. Ograniczenie temperatury
podgrzewanej wody pozwala na podniesienie wydajności systemu solarnego (patrz poniższa
tabela). W przypadku kolektorów próżniowych, ze względu na ich lepszą izolacyjność
termiczną wpływ tej jest znacznie mniejszy, co pozwala na uzyskanie wody o wyższej
temperaturze.
Tabela 7 Wpływ pożądanej temperatury wody użytkowej na wydajność kolektora
Temperatura cwu [°C]
Rodzaj
kolektora
40
45
50
55
60
65
70
75
zakryty
1,08 1,05 1,03
1
0,98 0,95 0,93
0,9
próżniowy
1,03 1,02 1,01
1
0,99 0,98 0,96 0,95
W przypadku wykorzystania kolektorów cieczowych do przygotowania wody basenowej,
możliwe jest pozyskanie większych ilości energii niż w przypadku przygotowania c.w.u.
ze względu na znacznie niższą wymaganą temperaturę wody (rzędu 30 oC) oraz dużą
pojemność cieplną basenu pływackiego.
5
Tabela 8 Jednostkowy uzysk ciepła z kolektorów słonecznych przy podgrzewie wody
basenowej
Rodzaj
kolektora
płaski
próżniowy
Jednostkowy
uzysk
2
kWh/m
kWh/m2
26
631
687
Temperatura wody basenowej [°C]
27
28
29
30
31
32
622 613 604
595
586
578
683 678 673
668
663
658
33
569
653
W zależności od przeznaczenia instalacji, zmienia się charakter zapotrzebowania na ciepło
dlatego też wielkość powierzchni czynnej (apertury) kolektorów słonecznych, powinna być
określana na podstawie obliczeń energetycznych wykonywanych dla konkretnych
przypadków. Orientacyjne powierzchnie apertury dla typowych obiektów przedstawiono
w poniższej tabeli.
Tabela 9 Typowe wielkości powierzchni apertury dla przykładowych instalacji
solarnych
Wymagana powierzchnia apertury
Przeznaczenie
Jednostka
kolektor zakryty
kolektor próżniowy
m2/os.
1,2-1,5
1,0-1,2
m2/os.
0,9-1,2
0,7-0,9
przygotowanie c.w.u. (55%) – biuro
m2/os.
0,2-0,3
0,2-0,25
pływalnia kryta (tw = 24oC) – z
przykryciem ( = 12h)1)
pływalnia kryta (tw = 24oC) – bez
przykrycia ( = 12h) 1)
pływalnia otwarta (tw = 22oC) – z
przykryciem ( = 12h) 1)
pływalnia otwarta (tw = 22oC) – bez
przykrycia ( = 12h) 1)
m2/m2 pow.
niecki
m2/m2 pow.
niecki
m2/m2 pow.
niecki
m2/m2 pow.
niecki
0,4
0,3
0,5
0,4
0,7
0,5
0,9
0,7
przygotowanie c.w.u. (55%) – dom
jednorodzinny
przygotowanie c.w.u. (55%) – dom
wielorodzinny
1.3 Systemy i ich schematy technologiczne, wykaz urządzeń i instalacji pomocniczych
9B
1.3.1. Ciepła woda użytkowa
10B
Najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem kolektorów cieczowych jest przygotowanie
ciepłej wody użytkowej. Podstawowe elementy solarnego systemu przygotowania wody
użytkowej mogą być skonfigurowane na szereg różnych sposobów.
Poniższy rysunek przedstawia przykład układu z wymuszonym obiegiem czynnika roboczego
wykorzystującym dodatkową grzałkę elektryczną. W układzie tym obieg czynnika roboczego
wymuszony jest za pomocą pompy cyrkulacyjnej, a dodatkowa energia niezbędna
do zaspokojenia zapotrzebowania na ciepło, dostarczana jest za pośrednictwem grzałki
elektrycznej. Ze względu na możliwość zamarzania czynnika w okresie ujemnych
temperatur, niezbędne jest wykorzystanie czynnika niezamarzającego (roztworu glikolu), w
obiegu wydzielonym za pomocą wymiennika ciepła (np. wężownicy umieszczonej w
zasobniku ciepła).
6
Rysunek 1 Układ z wymuszonym obiegiem czynnika roboczego z zasobnikiem ciepła
wyposażonym w dodatkową grzałkę elektryczną: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny,
(3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepła z podgrzewaczem solarnym, (5) grzałka
elektryczna.
Wykorzystanie energii elektrycznej nie jest efektywne ekonomicznie, z tego powodu
w większości przypadków jako dodatkowe źródło ciepła wykorzystuje się kocioł
gazowy/olejowy/węglowy lub sieć ciepłowniczą. Przykładowy schemat przedstawiający
system wykorzystujący kocioł przedstawiono na poniższym schemacie.
Rysunek 2 System solarnego przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący kocioł
gazowy: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej,
(4) zasobnik ciepłej wody z podgrzewaczem solarnym i wężownicą kotła, (5) grzałka
elektryczna, (6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku.
7
Wykorzystanie biwalentnego zasobnika ciepłej wody pozwala na redukcję kosztów
inwestycyjnych, oraz wymaganej przestrzeni w przypadku nowych instalacji. W przypadku
instalacji modernizowanych często wykorzystuje się istniejący zasobnik ciepłej wody oraz
dodatkowy wymiennik ciepła lub zasobnik ciepła.
Rysunek 3 Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący solarny wymiennik
ciepła: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej,
(4) wymiennik ciepła, (5) zasobnik ciepłej wody z wężownicą dodatkowego źródła ciepła,
(6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku.
Rysunek 4 Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący solarny wymiennik
ciepła: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej,
(4) solarny zasobnik ciepła, (5) zasobnik ciepłej wody z wężownicą dodatkowego źródła ciepła,
(6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku.
8
1.3.2 Podgrzewanie wody basenowej
10B
Innym zastosowaniem dla cieczowych kolektorów słonecznych jest podgrzewanie wody
w basenach kąpielowych. Poniższy rysunek przedstawia prosty system solarnego
przygotowania wody basenowej, w którym woda podgrzewana jest za pośrednictwem
wymiennika ciepła.
Rysunek 5 System podgrzewania wody basenowej: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator
solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) wymiennik ciepła, (5) basen kąpielowy.
Ponieważ energia słoneczna może być często niewystarczająca do zapewnienia
odpowiedniej temperatury wody w basenie, wymagane jest zastosowanie dodatkowego
źródła ciepła. Poniższy rysunek przedstawia przykładową instalację wykorzystującą jako
dodatkowe źródło ciepła kocioł, oraz wykorzystującą kolektory słoneczne do przygotowania
ciepłej wody użytkowej.
Rysunek 6 System przygotowania wody basenowej oraz użytkowej wykorzystujący kocioł: (1)
kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepłej
wody,
(5)
kocioł,
(6)
regulator
kotła,
(7)
instalacja
grzewcza
budynku,
(8, 9) basenowy wymiennik ciepła, (10) basen kąpielowy.
9
1.4. Koszty inwestycyjne
102B
Tabela 10 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych zakrytych
L.p.
1
2
3
4
5
6
7
8
Liczba osób
1-2
2-3
4-5
5-7
6-8
8-11
10-14
14-18
Zapotrzebowanie dobowe
3
dm /dobę
90
170
250
340
430
550
630
800
Powierzchnia
kolektora
m2
1,8
3,6
5,5
7,4
9,2
11,8
13,2
15,8
Koszt
PLN
8 265
10 854
14 071
17 460
20 749
25 575
28 196
33 094
Tabela 11 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych próżniowych
L.p.
Liczba osób
Zapotrzebowanie dobowe
1
2
3
4
5
6
7
8
1-2
2-3
4-5
5-7
6-8
8-11
10-14
14-18
dm3/dobę
90
170
250
340
430
550
630
800
Powierzchnia
kolektora
m2
1,8
3,6
5,5
7,4
9,2
11,8
13,2
15,8
Koszt
PLN
9 220
12 765
16 990
21 388
25 632
31 837
35 202
41 479
1.5. Producenci i dostawcy na rynku krajowym
103B
Na rynku krajowym można znaleźć produkty takich firm jak:
Hewalex,
Viessmann,
Polska Ekologia,
Paradigma,
EcoJura sp. z o.o.
2. Kolektory słoneczne powietrzne
104B
2.1 Zasada działania
Powietrzne kolektory słoneczne wykorzystują zjawisko konwersji fototermicznej, polegające
na przetworzeniu energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Dzięki temu
zjawisku energia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora
słonecznego, jest wykorzystywana do podniesienia temperatury przepływającego powietrza.
W instalacjach tego typu nie wykorzystuje się magazynowania ciepła i pozyskiwane ciepło
jest wykorzystywane na bieżąco.
105B
Kolektory powietrzne używane są obecnie głównie do suszenia płodów rolnych oraz
do ogrzewania szklarni, budynków szklonych, budynków mieszkalnych, hal, magazynów.
W porównaniu z kolektorami cieczowymi kolektory powietrzne mają szereg zalet: przede
wszystkim są od nich tańsze, a ponadto nie występują w nich problemy wynikające z korozji
części metalowych oraz z wrzenia lub zamarzania czynnika roboczego. Wadami kolektorów
powietrznych są natomiast: hałas wytwarzany przez wentylatory oraz niższa sprawność
spowodowana małą wartością współczynnika przejmowania ciepła powietrza, co powoduje
10
wyższą temperaturę absorbera i większe straty ciepła w porównaniu ze stratami z kolektorów
cieczowych. Kolektory powietrzne produkowane mogą być zarówno jako kolektory płaskie, w
których zastosowano szereg rozwiązań intensyfikujących wymianę ciepła, jak i jako tanie
kolektory foliowe, możliwe do wykonania sposobem gospodarczym.
Ponadto energia promieniowania słonecznego może być wykorzystana do ogrzewania
budynków przy zastosowaniu całego szeregu biernych i hybrydowych instalacji grzewczych.
Wykorzystanie energii słonecznej nie daje możliwości całkowitego opłacalnego pokrycia
zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania, w związku z czym instalacje biernego ogrzewania
muszą być wspomagane przez konwencjonalne instalacje grzewcze o małej bezwładności
cieplnej. Spośród biernych instalacji grzewczych największe znaczenie praktyczne mają
następujące:
1. kolektor (ściana) Trombe’a – wykorzystuje fakt, że dzienna suma bezpośredniego
promieniowania słonecznego na płaszczyźnie pionowej zwróconej w kierunku
południowym osiąga maksimum wiosną i jesienią, zimą zachowuje znaczną wartość
i maleje do minimum latem. Zasada działania ściany Tromble’a polega
na absorbowaniu promieniowania słonecznego na zewnętrznej powierzchni ściany
magazynującej ciepło i podgrzewaniu powietrza znajdującego się w szczelinie
wentylacyjnej,
2. przestrzeń oszklona (zintegrowana szklarnia) – zasada działania polega
na wykorzystywaniu ciepła przewodzonego przez ścianę i podgrzewaniu powietrza
w przestrzeni oszklonej,
3. system zysków bezpośrednich – polega na wykorzystaniu do ogrzewania
promieniowania słonecznego padającego do wnętrza budynku przez okna.
Ze względu na charakterystykę dostępności promieniowania słonecznego oraz brak
możliwości magazynowania pozyskanego ciepła w większości przypadków kolektory muszą
być wspomagane przez inne źródło ciepła jak np. kotły grzewcze lub pompy ciepła.
2.2
106B
Typy urządzeń, charakterystyczne parametry techniczne (moc zainstalowana,
roczna produkcja ciepła)
Kolektory składają się z: absorbera, przykrycia przeźroczystego (może nie występować
w niektórych rozwiązaniach), obudowy i ewentualnie izolacji cieplnej. Najważniejszym
elementem kolektora jest absorber. Absorber pochłania padające promieniowanie słoneczne
i zamienia na energię cieplną, którą następnie przekazuje przepływającemu czynnikowi,
ogrzewając go.
Absorbery wykonuje się przeważnie z metalu. Spotykane są również absorbery wykonane
z tworzyw, jak PP czy EPDM, albo też połączeń tworzyw z innymi materiałami. W celu
powiększenia kontaktu cieplnego absorbera z przepływającym powietrzem stosuje się różne
rozwiązania konstrukcyjne zwiększające powierzchnię absorbera.
Najprostsze absorbery mają powierzchnię w postaci falowanej lub trapezoidalnej. Kolektory
bardziej wydajne zbudowane są z szeregu równoległych kanałów. W ten sposób zwiększona
powierzchnia wpływa również na zwiększoną turbulencję przepływającego powietrza, która
z kolei poprawia współczynnik przenoszenia ciepła.
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie wypełnienia przestrzeni między absorberem,
a obudową materiałem porowatym, tzw. kolektor z rozwiniętym absorberem. Materiałem
wypełniającym mogą być metalowe wióry pomalowane na czarno – matowe. Sprawność tak
„rozwiniętego” absorbera może być nawet dwukrotnie większa niż kolektora płaskiego.
Absorber tego typu charakteryzuje się znacznie większymi oporami przepływu powietrza.
11
Zupełnie inną koncepcją działania charakteryzuje się kolejna konstrukcja absorbera
– tzw. absorber perforowany. Posiada on na swej powierzchni dużą liczbę niewielkich
dziurek, przez które zasysane jest powietrze. Takie rozwiązanie zapewnia dobry kontakt
powietrza z absorberem oraz podnosi jego sprawność.
Kolejnym elementem kolektora jest obudowa, która pełni „funkcję nośną”, oraz zapewnia
szczelność kolektora przed stratami ciepła i dostępem wilgoci. Obudowy wykonuje się
z metalu, drewna, tworzyw sztucznych. Najbardziej popularne są obudowy wykonane
z metalu, choć pojawiają się też z plastiku. Izolacja termiczna wykonana jest najczęściej
z wełny mineralnej bądź szklanej, ale również styropianu.
W celu zmniejszenia strat energii przez konwekcję ciepła z powierzchni absorbera stosuje
się przykrycia przeźroczyste. Przykrycie chroni absorber przed działaniem deszczu, wiatru,
kurzu, jak też mechanicznych obciążeń. Do tego celu nadaje się szkło i tworzywo sztuczne.
a)
b)
Rysunek 7 Przykładowa konstrukcje kolektorów powietrznych a) ze ścianą perforowaną,
b) o konstrukcji żeberkowej
Rysunek 8 Zasada wykorzystania powietrznego kolektora słonecznego do ogrzewania
pomieszczeń
Kolektory powietrzne mogą współpracować z instalacją wentylacyjną budynku, lub stanowić
urządzenia działające autonomicznie, wyposażone są wówczas w wentylator zapewniający
obieg powietrza a czasem również w autonomiczny system zasilania opierający się
na ogniwach PV.
Wydajność kolektorów powietrznych zależy od ilości promieniowania słonecznego
dostępnego w sezonie grzewczym dla danej orientacji.
12
Tabela 12 Wartość sezonowego napromieniowania na płaszczyznę poziomą oraz
pionową na daną orientację dla Warszawy
Orientacja
Napromieniowanie
SR 0°
SR N 90°
SR NE 90°
SR E 90°
SR SE 90°
SR S 90°
SR SW 90°
SR W 90°
SR NW 90°
kWh/m
353
151
185
270
346
378
346
270
185
2
Kolektory komercyjne dostępne na rynku wykonane są z różnych materiałów i charakteryzują
się odmienną zasadą działania. Możliwe do osiągnięcia przyrosty temperatury powietrza,
oraz osiągane sprawności zależą głównie od prędkości przepływu powietrza odniesionej
do powierzchni absorbera. Przyrosty temperatur powietrza, szczególnie dla małych natężeń
przepływu powietrza, osiągają nawet powyżej 30°C (dla 25 m 3/h), dla natężeń przepływu
ok. 100 m3/h przyrosty rzędu 15°C (na 1 m2 kolektora). Sprawność kolektorów słonecznych
dostępnych na rynku zmienia się w szerokim zakresie od ok. 25% do 50% - dla małych
natężeń przepływu, aż do blisko 70% dla ok. 100 m3/m2h.
Przykładowo dla kolektora o współczynniku absorpcji promieniowania równym 85%,
w zależności od natężenia przepływu powietrza, dla orientacji południowej, można osiągnąć
następujące wydajności:
25 m3/m2h– 25% - 94,5 kWh/m2,
60 m3/m2h – 50% - 189 kWh/m2,
100 m3/m2h – 70% - 242,2 kWh/m2.
2.3 Koszty inwestycyjne
107B
Koszty inwestycyjne zmieniają się w bardzo szerokim zakresie w zależności od
zastosowanej technologii, urządzeń dodatkowych (takich jak wentylatory, systemy PV,
przewody rozprowadzające) oraz wielkości instalacji. Przykładową zależność jednostkowych
kosztów inwestycyjnych w zależności od wielkości instalacji przedstawiono na wykresie.
3000
2500
PLN/m2
2000
1500
1000
500
0
0
50
100
150
200
[m 2]
Rysunek 9 Przykładowa zależność jednostkowych kosztów inwestycyjnych w zależności
od powierzchni kolektorów powietrznych
13
2.4 Producenci i dostawcy na rynku krajowym
108B
Na rynku polskim można znaleźć następujących producentów i dostawców:
1. producenci krajowi:
EcoJura,
Masa Therm Polska,
2. producenci zagraniczni:
SolarVenti,
SolarWall,
3. dystrybutorzy:
Ekonomiczne Systemy Grzewcze,
Trend-EKO.
3. Opłacalność stosowania instalacji zasilanych cieczowymi kolektorami
słonecznymi
109B
3.1 Wstęp
Cieczowe kolektory słoneczne to elementy instalacji pośredniczące w zamianie energii
słonecznej w cieplną, wykorzystywaną na potrzeby grzewcze - w Polsce najczęściej do
przygotowania ciepłej wody i podgrzewania wody w basenach, rzadziej do ogrzewania
budynków. W naszej strefie klimatycznej największe zapotrzebowanie na energię na cele
grzewcze przypada na okres od października do maja, podczas gdy najbardziej korzystny do
pozyskiwania energii słonecznej jest czas od marca do października.
Instalacje solarne charakteryzują się wysokim kosztem inwestycyjnym. Obejmuje on:
absorbery cieczowe, konstrukcje wsporcze, wymienniki i zasobniki ciepła, rurociągi,
armaturę, pompy oraz urządzenia sterujące. Jest to wydatek rzędu 1500 do 5000 zł za każdy
metr kwadratowy absorbera. Przy czym jednostkowe koszty instalacji większych (co najmniej
kilkaset metrów kwadratowych), wyposażonych w kolektory płaskie, zbliżone są do dolnej
granicy, zaś koszty instalacji dla domków jednorodzinnych (przeciętnie ok.6 metrów
kwadratowych) z kolektorami próżniowymi, oscylują wokół górnej granicy. Ponadto jest to
koszt dodatkowy, gdyż kolektory słoneczne nie zastępują w bilansie zapotrzebowania na
moc cieplną, współpracujących z nimi, konwencjonalnych źródeł ciepła
Warunkiem opłacalności stosowania instalacji solarnych jest uzyskanie odpowiednio dużych
oszczędności eksploatacyjnych, na które składają się obniżenie kosztu paliwa
konwencjonalnego oraz dodatkowy efekt w postaci kosztu uniknietej emisji związanej z
zaoszczędzeniem paliwa konwencjonalnego. Dla wyznaczenia efektu ekonomicznego
zastosowania instalacji solarnej należy wyznaczyć następujące wielkości:
1. Uzysk słoneczny – ilość ciepła użytecznego pozyskanego w ciągu całego roku z
instalacji solarnej na jednostkę powierzchni absorbera;
2. Ilość i koszt zaoszczędzonego paliwa konwencjonalnego;
3. Ilość oraz koszt uniknietej emisji CO2.
3.2.
Uzysk słoneczny
Ilość energii słonecznej, która dociera do powierzchni Ziemi, zależy od pogody,
zachmurzenia na danym terenie, szerokości geograficznej, czyli kąta padania promieni
słonecznych i zanieczyszczenia powietrza. Im więcej jest dni pochmurnych, im dalej od
równika i im bliżej wielkich miast, tym mniej energii słonecznej dociera do powierzchni Ziemi.
14
Zatem jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na wartość „uzysku słonecznego”
ma lokalizacja, orientacja oraz sposób zabudowy absorberów. Bardzo ważne przy
montażu kolektorów jest zachowanie odpowiedniego - zapewniającego maksymalne
pochłanianie energii słonecznej - kąta nachylenia do powierzchni Ziemi. W Polsce latem
najbardziej efektywny jest kąt 30°, zimą - 60°. Kolektor, z którego będzie się korzystać
wyłącznie latem, trzeba zamontować pod katem 30° do powierzchni Ziemi, kolektor używany
przez cały rok - pod kątem 35° - 45°. Kolektory najlepiej jest montować na połaci dachu lub
jako wolno stojące od strony południowej.
Drugim z czynników jest typ (sprawność) kolektora. Kolektory próżniowe umożliwiają
pozyskanie istotnie większej ilości energii słonecznej niż kolektory płaskie.
Istotny wpływ na „uzysk słoneczny” mają również parametry (temperatura nominalna)
instalacji odbiorczej oraz udział ciepła pozyskanego z instalacji solarnej w pokryciu jej
całkowitych potrzeb. Im wyższa wymagana temperatura odbiornika oraz udział w pokryciu
potrzeb tym niższy „uzysk słoneczny”.
Na rysunku 1 zilustrowano wpływ lokalizacji oraz „stopnia pokrycia potrzeb” na wielkość
„uzysku słonecznego” na przykładzie standardowej instalacji solarnej z kolektorami płaskimi
pracującej na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej. Temperatura zasilania ciepłej
wody to 55°C, kolektory zorientowane na południe, zamontowane na stałe i nachylone pod
kątem 35°. W podanym przykładzie różnica w uzysku słonecznym dla identycznej instalacji
zlokalizowanej w Warszawie i pd-zach. Niemczech wynosi około 30%, zatem nie można
automatycznie przenosić doświadczeń z innych krajów na warunki polskie.
Kolektory płaskie
900
Standardowa
instalacja cwu,
południowozachodnie Niemcy
800
Uzysk słoneczny [ kWh/m2/rok]
700
Standardowa
instalacja cwu,
Warszawa
600
500
400
300
200
100
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Stopień pokrycia potrzeb [-]
Rys.1 Wpływ lokalizacji na wartość „uzysku słonecznego” (Obliczenia wykonano programem
GetSolar)
Z kolei na rysunku 2 przedstawiono wpływ rodzaju kolektora oraz parametrów instalacji na
wielkość „uzysku słonecznego”. Zdecydowanie lepsze parametry mają kolektory próżniowe,
„uzysk słoneczny” jest w tym przypadku ok.30% wyższy niż z kolektorów płaskich
niezależnie od rodzaju instalacji odbiorczej. Analizując wpływ rodzaju (parametrów) instalacji
odbiorczej, różnica ta jest zmienna, silnie zależna od „stopnia pokrycia potrzeb” .
15
Lokalizacja: Warszawa
800
700
Usysk słoneczny [kWh/m2/rok]
600
575
500
400
380
300
200
Ciepła woda - standardowy kolektor płaski
Ciepła woda - dobry kolektor próżniowy
Basen - standardowy kolektor płaski
Basen - wysokiej klasy kolektor próżniowy
100
0
0%
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%
Stopień pokrycia potrzeb [-]
Rys.2 Wpływ typu kolektorów oraz parametrów instalacji odbiorczej na wartość „uzysku
słonecznego” (Obliczenia wykonano programem GetSolar)
Podane wyżej zależności są jedynie ilustracją omawianych zjawisk dla konkretnych typów
kolektorów oraz wybranej lokalizacji oraz orientacji absorberów. Dla wyliczenia „uzysku
słonecznego” dla konkretnej instalacji należy wykonać obliczenia „uzysku słonecznego”
wykorzystując dedykowane dla tego celu oprogramowanie uniwersalne np. GetSolar,
RetScreen lub programy dedykowane poszczególnych producentów instalacji solarnych.
3.3 Oszczędności eksploatacyjne
10B
Ciepło pozyskane z instalacji solarnej zastępuje energię konwencjonalną, którą trzeba by
było wyprodukować w głównym źródle ciepła dla budynku. Koszt zaoszczędzonej energii lub
paliwa jest w zasadzie jedynym składnikiem oszczędności eksploatacyjnych. Im droższa
energia konwencjonalna tym wyższe oszczędności eksploatacyjne. Na rysunku 3
przedstawiono zależność jednostkowych oszczedności eksploatacyjnych od ceny
jednostkowej energii konwencjonalnej oraz „uzysku słonecznego”. Przy czynnikach
sieciowych, takich jak ciepło z miejskiego systemu ciepłowniczego czy gaz ziemny, należy
brać pod uwagę jedynie składniki zmienne ceny nośnika, zależne od zużycia, gdyż opłaty
stałe pozostają bez zmian – instalacja solarna nie obniża mocy zamówionej.
16
2
Oszcędności eksploatacyjne [zł/m /rok]
400
Uzysk słoneczny
[kWh/m2/rok]
100
350
200
300
300
400
500
250
218
600
700
200
800
150
100
50
142
105
68
0
0
20
40
60
80 100 120
Jednostkowy koszt energii
konwencjonalnej [zł/GJ]
140
Rys.3 Zależność jednostkowych oszczędności eksploatacyjnych od jednostkowych kosztów
energii konwencjonalnej i „uzysku solarnego”.
3.4 Emisja uniknięta
Ciepło pozyskane z instalacji solarnej nie powoduje emisji gazów cieplarnianych, zatem
każda ilość wykorzystanej energii słonecznej powoduje uniknięcie emisji jaka
spowodowałoby wykorzystanie paliwa konwencjonalnego. Na rysunku 4 przedstawiono ilość
unikniętej emisji na jednostkę powierzchni absorbera w zależności od „uzysku solarnego”
oraz rodzaju energii konwencjonalnej zastępowanej przez energię słoneczną. Zdecydowanie
największe korzyści ekologiczne przynosi stosowanie instalacji solarnych współpracujących
z urządzeniami zasilanymi energią elektryczną, przy współpracy z kotłownią gazową korzyści
te są dużo mniejsze.
17
Energia konwencjonalna
Olej opałowy
Energia elektryczna
900
Kotłownia węglowa
Uniknięta emisja CO2 (kg/m2/rok]
800
Ciepłownia - węgiel
EC - węgiel
Kotłownia gazowa
700
655
600
500
400
430
300
200
150
100
0
100
100
200
300
400
500
600
700
800
Uzysk słoneczny [kWh/m2/rok]
Rys.4 Zależność jednostkowej oszczędności eksploatacyjnych od „uzysku solarnego” i
rodzaju energii konwencjonalnej.
Dyrektywa WE/32/2006 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 roku w
sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych zobowiązuje
Państwa Członkowskie do zapewnienia efektywności końcowego wykorzystania energii w
sektorze publicznym, który odgrywa w tej dziedzinie rolę wzorcową. Wdrożenie tej Dyrektywy
w Polsce ma doprowadzić do monitorowania i rejestracji wzrostu efektywności energetycznej
oraz rejestracji redukcji emisji w budownictwie.
W efekcie każde ograniczenie emisji CO2 do atmosfery będzie miało wymierną wartość,
nawet w małej skali. Planowane jest wprowadzenie „białych certyfikatów”, które
dokumentować będą osiągniętą redukcję emisji i staną się przedmiotem obrotu rynkowego.
Przewidywana wartość takiego certyfikatu wobec konieczności realizacji Pakietu
Energetyczno-Klimatycznego będzie wynosić 30 – 50EURO/Mg redukcji emisji CO2. Stanie
się to dodatkowym źródłem przychodów zwiększających efektywność stosowania instalacji
solarnych. Na rysunku 5 przedstawiono przewidywane przychody związane z unikniętą
emisją w zależności od wielkości redukcji oraz przewidywanych kosztów „białych
certyfikatów”.
18
250
Jednostkowy koszt emisji CO2 [€/Mg]
5
15
Wartość unikniętej emisji [zł/m2/rok]
200
30
45
60
150
100
80
53
50
19
12
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
2
Uniknięta emisja CO2 [kg/m /rok]
Rys. 5 Zależność wartości unikniętej emisji od ilości unikniętej emisji oraz przewidywanej
wartości „białych certyfikatów”
3.5. Przykład
Określenie prostego czasu zwrotu dla instalacji solarnej zlokalizowanej w Warszawie,
pokrywającej 32% potrzeb produkcji ciepłej wody użytkowej o temperaturze 55 oC. Absorbery
o nachyleniu 35o zamontowane są nieruchomo i zorientowane na południe. Kolektory płaskie
lub próżniowe współpracują z konwencjonalną instalacją zasilaną gazem ziemnym lub
energią elektryczną.
1B
Wyszczególnienie
Źródło
danych
Jednostka
1
Energia konwencjonalna
założenie
…
gaz
ziemny
energia
el.
gaz
ziemny
energia
el.
2
Stopień pokrycia potrzeb
założenie
…
32%
32%
32%
32%
3
Koszt inwestycyjny
założenie
zł/m2
3500
3500
2000
2000
4
Koszt energii
konwencjonalnej
założenie
zł/GJ
50
105
50
105
5
Jednostkowy koszt emisji
założenie
EURO/Mg
30
30
30
30
6
Uzysk słoneczny
Rys.2
kWh/m2/rok
575
575
380
380
7
Oszczędności eksploatacyjne
Rys.3
zł/m2/rok
105
218
68
142
8
SPBT bez emisji
w.3 / w.7
lata
33
16
29
14
9
Uniknięta emisja
Rys.4
Mg/m2/rok
150
655
100
430
10
Wartość unikniętej emisji
Rys.5
zł/m2/rok
19
80
12
53
w.7 + w.10
zł/m2/rok
124
298
80
195
w.3 /w.11
lata
28
12
25
10
Lp
11
12
Oszczędności eksploatacyjne
z emisją
SPBT z uwzględnieniem
emisji
19
Kolektory
próżniowe
Kolektory
płaskie
3.6 Podsumowanie
Instalacje solarne dla przygotowania ciepłej wody użytkowej charakteryzują się niską
efektywnością ekonomiczną. W przypadku współpracy z kotłownią gazową lub siecią
ciepłowniczą czas zwrotu nakładów może przekroczyć techniczny czas życia inwestycji
Takich skojarzeń nośników energii należy unikać. Umiarkowaną efektywność można uzyskać
jedynie zastępując energią słoneczną elektryczne podgrzewacze wody.
Instalacje solarne dla basenów mają wyższą
satysfakcjonująca wymagane są subwencje.
rentowność
lecz
aby
była
ona
Uwzględnienie dodatkowych korzyści związanych z ograniczeniem emisji może poprawić
efektywność, ale nie na tyle, aby inwestycja w instalację solarną stała się atrakcyjna
ekonomicznie. Jedyną drogą zwiększenia atrakcyjności tych inwestycji jest zdecydowana
obniżenie nakładów inwestycyjnych, na przykład poprzez system subwencji. Subwencja w
wysokości 1000zł/m2 absorbera zwiększyłaby atrakcyjność inwestycji. Taki system pomocy
stosowała Fundacja EkoFundusz ale tylko dla dużych instalacji wg skomplikowanej i
kosztownej procedury. Inwestorzy indywidualni nie mogą liczyć w chwili obecnej na żadną
pomoc finansową, a jest to największa potencjalnie grupa inwestorów zainteresowanych
energią słoneczną. To, że powierzchnia instalowanych cieczowych kolektorów słonecznych
systematycznie rośnie należy przypisać wysokiej świadomości społecznej inwestorów lub
raczej, co jest bardziej prawdopodobne, ich snobizmowi i próżności.
Bibliografia
1. A.Wiszniewski i in. Modernizacja systemów zaopatrzenia w ciepło budynków
mieszkalnych, Wyd. „Dom Przyjazny” 2006r. www.domprzyjazny.org
2. GetSolar – program do symulacji pracy instalacji z kolektorami słonecznymi
www.getsolar.info.pl
– pakiet
www.retscreen.net
3. RetScreen
programów
do
20
oceny
projektów
“Czystej
Energii”,