Artykuł archiwalny – może nie odzwierciedlać obecnego stanu prawnego.

Kolektory słoneczne jako sposób na poprawienie charakterystyki energetycznej

Kolektory na świecie:
W roku 2003 powierzchnia wszystkich zainstalowanych kolektorów w 35 krajach świata wynosiła 132 mln m², a ich moc cieplna - 92,7 GW, w tym moc kolektorów płaskich i tubowych próżniowych do podgrzewania wody i ogrzewania - 69,5 GW, a kolektorów elastycznych do ogrzewania wody w basenach kąpielowych - 22 GW. Reszta (1,2 GW), to kolektory powietrzne służące do suszenia płodów rolnych i do powietrznych systemów grzewczych. Najwięcej kolektorów cieczowych płaskich i tubowych zainstalowano (ilość na 100000 mieszkańców) na Cyprze (59 MW), w Izraelu (52 MW), w Grecji (21 MW) i na Barbadosie (18 MW). W dalszej kolejności znalazły się Turcja, Japonia, Australia, Niemcy i Dania z niewiele gorszymi wynikami - od 4 do 9 MW na 100000 mieszkańców.
Pieniądze wydane dzisiaj na solarny system grzewczy mogą nas zabezpieczyć przed systematycznym wzrostem cen gazu, oleju czy energii elektrycznej oraz przed możliwymi skokami tych cen. W wielu krajach europejskich zauważono już te korzyści. Tam rynek kolektorów słonecznych funkcjonuje całkiem nieźle.

Budowa i zasada działania

Kolektory słoneczne to swego rodzaju wymienniki ciepła służące do zamiany elektromagnetycznej energii promieniowania słonecznego na ciepło. Można je stosować w celu ogrzewania wody i pomieszczeń, ale też do produkcji elektryczności lub realizacji procesów chemicznych. Czynnikiem roboczym w kolektorze może być zarówno ciecz jak i powietrze, z czego wynika podział kolektorów na powietrzne i wodne. W budownictwie wykorzystuje się jedynie kolektory niskotemperaturowe, ale poza nimi istnieją jeszcze średniotemperaturowe i wysokotemperaturowe. Najważniejszym elementem kolektora słonecznego jest absorber, czyli płyta pokryta cienką warstwą niklu, czarnej miedzi lub innego związku chemicznego o wysokim współczynniku pochłaniania promieniowania słonecznego, ale jednocześnie o małym współczynniku emisji promieniowania cieplnego (stąd bierze się nazwa absorbera - selektywny). Do absorbera są przylutowane, przyspawane tudzież dociśnięte rurki, którymi płynie czynnik pośredniczący.
Nieco inaczej wykonane są kanały przepływowe w absorberach typu sandwich. Powstają one w wyniku przepływu czynnika roboczego pomiędzy dwoma arkuszami blachy zgrzanymi termicznie w odpowiednich miejscach i na krawędziach. Kanały przepływowe są ze sobą połączone, tworząc układ przepływowy o różnych konfiguracjach.
Część przepływowa kolektora jest umieszczona w obudowie izolowanej termicznie od spodu i z boku materiałem o niskim współczynniku przewodzenia ciepła (na przykład pianką poliuretanową lub wełną mineralną). Od góry kolektor jest okryty przezroczystą przegrodą z szyby lub izolacji transparentnej. Między nią a powierzchnią absorbera znajduje się szczelina próżniowa lub powietrzna. Minimalizuje ona straty ciepła na drodze konwekcji od powierzchni absorbera. W obudowie kolektora umieszczone są otwory wentylacyjne zabezpieczające okrycie i absorber przed zaparowaniem. Oprócz najpopularniejszych (płaskich) istnieją ró wnież inne rodzaje kolektorów słonecznych , między innymi próżniowe, z rurami cieplnymi i elastyczne. Kolektory próżniowe, których absorber jest umieszczony w próżniowej rurze tudzież w próżniowej prostopadłościennej obudowie, cechują najniższe straty cieplne. Ich efektywność energetyczna jest większa niż płaskich, zwłaszcza przy niskiej temperaturze zewnętrznej. Najlepiej nadają się do współpracy z konwencjonalnymi systemami ogrzewania. Mają jednak dość niekorzystne właściwości optyczne.
Kolektory z rurami cieplnymi to urządzenia nieco bardziej wyrafinowane. Energia promieniowania jest odbierana z absorbera w czasie odparowywania czynnika umieszczonego w pojedynczych rurach ciepła. Czynnik roboczy po skropleniu poza absorberem spływa grawitacyjnie z powrotem do części rury ciepła umieszczonej w absorberze. Rura ciepła umożliwia przesyłanie strumienia ciepła o dużej gęstości nawet jeśli różnica temperatury jest niewielka. Kolektory próżniowe z rurami ciepła mogą być wydajne energetycznie w instalacjach grzewczych. Kolektory elastyczne - najprostsze cieczowe kolektory niskotemperaturowe - mają absorbery z tworzyw sztucznych. Czasem są to nawet same absorbery wykonane z mat lub rur z tworzywa sztucznego, bez okrycia szklanego i izolacji termicznej. Ten rodzaj kolektorów jest stosowany zwłaszcza do ogrzewania basenów kąpielowych. W Polsce jest wiele firm produkujących i oferujących importowane kolektory i całe systemy solarne. Producenci ciągle dążą do uzyskania lepszych właściwości tych urządzeń.
W typowych warunkach eksploatacji instalacji słonecznych w Polsce zyski ciepła nie zależą w znaczny sposób od rodzaju stosowanych kolektorów. Równie duże znaczenie jak sprawność cieplna kolektora ma więc jego trwałość i estetyka wykonania. Mimo to istotne jest prawidłowy dobór kolektora do funkcji, jaką ma pełnić (podgrzewanie wody, ogrzewanie), oraz rodzaju instalacji, w której ma zostać zainstalowany (praca całoroczna lub sezonowa, pojemność zbiornika akumulującego ciepło, charakterystyka odbioru ciepłej wody użytkowej, rodzaj i elementy konwencjonalnego systemu grzewczego).

Charakterystyki cieplne kolektorów

Promieniowanie słoneczne padające na kolektor jest zamieniane w ciepło, które następnie jest odbierane przez czynnik roboczy przepływający przez kolektor. W określonych warunkach napromieniowania i temperatury zewnętrznej efektywność działania kolektora zależy w dużej mierze od materiałów, z jakich został wykonany, konstrukcji oraz od warunków eksploatowania (przepływu czynnika roboczego, temperatury otoczenia, temperatury wlotowej). Za miarę efektywności uważa się sprawność cieplną kolektora będącą stosunkiem ciepła odebranego przez przepływający przez kolektor czynnik roboczy do energii promieniowania docierającego do jego górnej powierzchni.

Można to obliczyć, posługując się równaniem (Hottela-Whilliera-Blissa):
eta=a₁-b₁(t_f-t₀)/G
gdzie:
(t_f-t₀)/G - temperatura zredukowana (t*)
t_f=(tfi-tf0)/2- to średnia temperatura czynnika roboczego w kolektorze
t₀ - temperatura zewnętrzna [°C]
t_fi - temperatura czynnika na wlocie do kolektora [°C]
t_f0 - temperatura czynnika na wylocie z kolektora [°C]
G - natężenie promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora [W/m²]
a₁, b₁ – współczynniki stałe opisujące konstrukcję kolektora oraz właściwości materiałów, z których został wykonany kolektor

Istnieje też równanie dokładniejsze od powyższego:
eta=a₂-b₂(t_f-t₀)/G-c₂[(t_f-t₀)/G]² Oba równania to tak zwane eksploatacyjne charakterystyki bezwymiarowe kolektora, powinny one być udostępnione przez sprzedawcę lub producenta w postaci wykresów lub współczynników równań.

Podgrzewanie wody w basenach

Podgrzewanie wody w basenach jest często realizowane za pomocą kolektorów słonecznych z absorberami wykonanymi z tworzyw sztucznych. Kolektory te lepiej absorbują promieniowanie słoneczne, zarazem tracą niewiele pomimo wysokiego współczynnika strat ciepła, ponieważ w kolektorach tych temperatura absorbera jest zazwyczaj niska. Jednocześnie są tańsze od klasycznych kolektorów płaskich z pojedynczą szybą, i jeszcze tańsze od kolektorów próżniowych.

Przygotowanie cwu

W układach solarnych przygotowujących ciepłą wodę, pracujących cały rok, sytuacja jest nieco inna. Zimą, wiosną lub jesienią przy dobrych warunkach nasłonecznienia i niskiej temperaturze powietrza (wysokie wartości temperatury zredukowanej) straty ciepła do otoczenia bywają znaczne, zwłaszcza jeśli współczynniki strat ciepła są duże (linia sprawności ma największe pochylenie). Kolektorów charakteryzujących się dużym nachyleniem krzywej sprawności raczej nie powinno się instalować w tego typu układach. Natomiast kolektory próżniowe o małych stratach ciepła (małe nachylenie charakterystyki sprawności) mają mniejszą sprawność, i zwykle są bardzo drogie.
Kolektory stosowane tylko i wyłącznie latem mają większy współczynnik b1, czyli wykazują większe straty do otoczenia. Zaś kolektory, w których ogranicza się straty cieplne maksymalnie (kolektory próżniowe), mają najwyższe ceny, ale za to mogą być śmiało stosowane w systemach ogrzewczych, nawet przy niskiej temperaturze otoczenia. Jeśli jednak zadecydujemy o ich instalacji, należy dokonać szczególnie starannie analizy techniczno-ekonomicznej. Umieszczanie absorbera w rurze próżniowej ma na celu zmniejszenie strat cieplnych z kolektora słonecznego. W opiniach obiegowych kolektory próżniowe uważane są za urządzenia o osiągnięciach znacznie przewyższających osiągi kolektorów płaskich. Producenci podają na ogół podają ich parametry dla promieniowania padającego pod kątem prostym do płaszczyzny kolektora. W typowych warunkach kąt ten jest zmienny, a co za tym idzie, osiągi kolektora mogą w dużym stopniu odbiegać od oczekiwanych. W porównaniu z kolektorami płaskimi, kolektory próżniowe rurowe mają zdecydowanie mniejszy współczynnik strat cieplnych do otoczenia, ale jednocześnie niekorzystne charakterystyki transmisji promieniowania przez cylindryczne, szklane osłony. Stąd w pewnych przedziałach kąta padania promieni słonecznych ich absorbery mogą w rzeczywistości pochłaniać dużo mniej energii słonecznej w odróżnieniu od absorberów kolektorów płaskich, nawet pracujących w tych samych warunkach. W warunkach klimatycznych panujących na przykład w Szwecji kolektory tubowe próżniowe w systemach podgrzewania wody ciepłej oraz ogrzewania nie są aż tak wydajne jak kolektory płaskie. Kolektory próżniowe mogą dostarczyć dużo więcej ciepła niż kolektory płaskie, jeśli natężenie promieniowania słonecznego jest małe, jednak temperatura, dla jakiej rozważany system pracujący wczesną wiosną lub późną jesienią, jest niska, zatem straty ciepła płaskich kolektorów są również niewielkie. Natomiast przewaga wysokiej sprawności kolektorów próżniowych w lecie, ma niewielkie znaczenie, ponieważ wtedy i tak instalacja słoneczna produkuje energię w nadmiarze. Badania dowodzą, że roczna wydajność kolektorów próżniowych w rozważanych systemach jest wyższa od 46 do 62% w porównaniu z kolektorami płaskimi, jednak i tak nie jest to wystarczająca rekompensata ich nieporównywalnie wyższej ceny. Dość istotne są też względy praktyczne, między innymi to, że na absorberze kolektora próżniowego z powodu niskiej temperatury dłużej w porównaniu do płaskich zalega warstwa śniegu. Charakterystyki cieplne kolektorów słonecznych uzupełnione informacją o cenie stanową dobre kryterium jego doboru. Nie można jednak zapominać o fakcie, że w typowych warunkach eksploatacyjnych instalacji słonecznych w Polsce zyski ciepła w instalacji nie zależą w istotny sposób od rodzaju zastosowanych kolektorów.

Natężenie promieniowania słonecznego w Polsce

Sama możliwość wykorzystania energii słonecznej oraz opłacalna eksploatacja instalacji słonecznych zależą w dużej mierze od warunków klimatycznych. Gęstość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi przez atmosferę jest określana poprzez następujące wskaźniki:
o gęstość całkowitego strumienia promieniowania słonecznego (lub w potocznie promieniowanie słoneczne całkowite) [W/m²], jest to suma promieniowania rozproszonego i bezpośredniego dochodzącego z tarczy słońca.
o napromieniowanie [J/m²], czyli energia padająca na powierzchnię jednostkową w określonym czasie (godzina, dzień, miesiąc, rok);
o nasłonecznienie [h], czyli liczba godzin z bezpośrednio widoczną tarczą słoneczną.
W polskich warunkach można przyjąć:
o roczne napromieniowanie całkowite - 3600 MJ/m² ± 10%;
o średnioroczne napromieniowanie poziomej powierzchni obszaru Polski :
- 3832 MJ/m² - Kołobrzeg,
- 3480 MJ/m² - Warszawa,
- 3558 MJ/m² - Zakopane.
Zdecydowana większość nasłonecznienia rocznego (bo około 80%) przypada między kwietniem a wrześniem. Dlatego bez opanowania technologii sezonowego (długoterminowego) magazynowania energii cieplnej praktyczne wykorzystanie energii słonecznej będzie w naszym kraju efektywne jedynie przez kilka miesięcy, od kwietnia do września.
Duży udział w całkowitym promieniowaniu słonecznym ma na obszarze Polski promieniowanie rozproszone. W skali roku niemal 50% energii dociera na powierzchnię ziemi na drodze promieniowania rozproszonego. Zimą ten udział jest większy i osiąga wtedy do 77%.
Kolektory ustawia się pod określonym kątem do płaszczyzny poziomej, w zależności od czasu eksploatacji. Kolektor słoneczny winien być skierowany w stronę południową, wówczas jego azymut wynosi 0, przy dopuszczalnym odchyleniu kąta do kilkunastu stopni na wschód lub zachód. Napromieniowanie powierzchni zależy od kąta nachylenia powierzchni kolektora oraz od pory roku. Ustawienie pionowe obniża w dużym stopniu zyski energetyczne w okresie letnim. Istotnych składnikiem jest tu promieniowanie odbijające się od podłoża i stanowi duży udział całkowitego napromieniowania. Zimą do powierzchni pionowej kolektora dociera taka sama ilość energii promieniowania słonecznego jak do powierzchni nachylonej pod kątem 45°. Płaskie kolektory słoneczne absorbujące promieniowanie bezpośrednie oraz rozproszone (także odbite) lepiej nadają się do stosowania w polskim klimacie. Optymalny kąt zwiększa się wraz ze wzrostem czasu użytkowania instalacji. Najmniejsze wartości kąt przyjmuje dla instalacji wykorzystywanych głównie latem. Jednak z uwagi na względy praktyczne (np. zmywanie powierzchni kolektora opadami atmosferycznymi) zaleca się przyjmowanie nieco większych kątów pochylenia (o kilka lub kilkanaście stopni).

Zyski energetyczne w instalacjach słonecznych

W słonecznych systemach przygotowania cwu najczęściej wykorzystywane są kaskady lub pojedyncze moduły kolektorów płaskich. W instalacjach termosyfonowych woda podgrzewana energią promieniowania słonecznego płynie do górnej części zbiornika, a chłodniejsza woda z dolnej części na skutek konwekcji naturalnej dopływa do kolektora, tworząc zamknięty obieg. Instalacje te mogą być wykorzystane w domach letniskowych oraz podobnych letnich obiektach rekreacyjnych. Jedną z wad jest konieczność umieszczenia zbiornika akumulującego co najmniej 30 cm ponad górną krawędzią kolektora słonecznego i co za tym idzie konieczność usunięcia wody na okres zimowy oraz w okresie przymrozków.
W systemach aktywnych istnieje dowolność lokalizacji zbiornika akumulującego, ponieważ przepływ czynnika roboczego jest wymuszony przez pompy cyrkulacyjne. Przy układach bezpośrednich nie wykorzystuje się wymienników ciepła, natomiast w pośrednich tak, oddzielają one obieg kolektora od obiegu ciepłej wody. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie niezamarzającego czynnika roboczego w obiegu kolektora.
W takim przypadku instalacja staje się użyteczna również w okresie, gdy temperatura na zewnątrz jest ujemna. Instalacje takie w polskich warunkach pogodowych mogą działać całorocznie.

Zasady doboru

Głównym zadaniem podczas projektowania instalacji słonecznych do podgrzewania ciepłej wody jest dobór pola powierzchni kolektorów słonecznych. Zależy ono od liczby osób w gospodarstwie i przypadającego na jedną osobę zużycia ciepłej wody oraz od natężenia promieniowania docierającego w danym rejonie do powierzchni kolektora. Projektowana instalacja słoneczna powinna zapewnić 60-70% zapotrzebowania rocznego (latem 90-100%). Dokładne określenie powierzchni kolektorów wymaga wykonania obliczeń. Najdokładniejszymi metodami są symulacje uwzględniające klimat oraz charakterystyki elementów instalacji. Wśród powszechnie stosowanych przybliżonych metod obliczania instalacji słonecznych warto wspomnieć o metodzie F-CHART. Daje ona możliwość szacunkowej oceny stopnia pokrycia zapotrzebowania cieplnego przez energię solarną w dłuższym czasie.
Dobierając powierzchnię kolektorów, można wykorzystać pewne przyjęte standardy, np. 1,5 m² powierzchni kolektora na jednego mieszkańca, często sugerują tak producenci. Z 1 m² powierzchni płaskiego kolektora szacunkowo rocznie można uzyskać 350-400 kWh energii cieplnej. Kraje Południowej Europy nie mogą narzekać na warunki klimatyczne. W pozostałych krajach uzyskuje się zbliżone wartości, od 300 do 400 kWh rocznie z jednego metra kwadratowego kolektora słonecznego.

Rozbudowa istniejącej instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej

Instalacja słoneczna do przygotowania ciepłej wody nie może całkowicie zaspokoić potrzeb użytkowników, nawet latem może przyjść kilka kolejnych pochmurnych dni, w czasie których instalacja nie będzie w stanie pokryć zapotrzebowania na ciepło, nawet taka, która będzie wyposażona w kilkudniowy zbiornik akumulacyjny. W związku z powyższym należy się zabezpieczyć podłączając do instalacji konwencjonalny system grzewczy.
Należy pamiętać o zasadach lokalizowania króćców:
- wlot wody podgrzanej z kolektora powinien znajdować się w przy górnej krawędzi zbiornika. Natomiast jeśli zbiornik wyposażony jest w układ wspomagający dogrzewanie wody (grzałka elektryczna), wlot powinien być umieszczony poniżej grzałki
- króciec poboru wody ciepłej ze zbiornika powinien być zawsze usytuowany ponad wlotem wody dopływającej z kolektora. Zasada ta jest szczególnie istotna w instalacjach bezciśnieniowych i zachowanie jej zapobiega zatrzymaniu obiegu wody w instalacji, co wiąże się z ryzykiem zniszczenia przewodów
- wylot ze zbiornika ciepła do kolektora oraz króciec uzupełniający ubytki wody w zbiorniku, powinien znajdować się możliwie najbliżej dna zbiornika.

Rentowność inwestycji

Coraz więcej ofert zawiera rozwiązania wielofunkcyjne , między innymi centralne ogrzewanie połączone z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej. Coraz powszechniej stosuje się niskotemperaturowe systemy grzewcze (ogrzewanie podłogowe lub ścienne), czynnik roboczy w obiegu grzewczym może mieć temperaturę około 40°C, natomiast do podgrzewania wody użytkowej wymagana jest temperatura dla prawidłowego działania co najmniej 45°C. Wykorzystanie systemu solarnego do ogrzewania pomieszczeń, jako uzupełniającego konwencjonalny system grzewczy, wymaga znacznie większej powierzchni kolektorów, w przedziale od kilkunastu do kilkudziesięciu m² oraz bardziej wyrafinowanej instalacji niż w celach przygotowania ciepłej wody. Niesie to za sobą pewne konsekwencje w postaci zwiększonych nakładów inwestycyjnych. Nasuwa się wtedy pytanie, czy w ogóle może to być opłacalne?
Najprostszym sposobem dokonania analizy efektywności ekonomicznej jest proste obliczenie czasu zwrotu nakładów inwestycyjnych. Oblicza się to przeliczając w jakim okresie czasu odzyskane zostaną poniesione nakłady poniesione na realizację inwestycji za oszczędności uzyskane na ograniczeniu dostawy energii elektrycznej lub paliwa konwencjonalnego.

Koszty paliwa do podgrzewania ciepłej wody w ciągu całego roku oblicza się w następujący sposób:
K=(Z*L*dT*c_p*N*C)/(eta*W)
gdzie:
K - cena paliwa [zł/a]
Z – zapotrzebowanie na cwu [kg/osobę/dzień]
L - liczba osób
dT - różnica temperatury wody ciepłej i zimnej [K]
c_p – pojemność cieplna wody [kJ/kg/K]
N - liczba dni w roku
eta - sprawność konwencjonalnego urządzenia podgrzewającego cwu
W - wartość opałowa paliwa [J/kg]
C - cena paliwa konwencjonalnego [zł/kg]

Roczny całkowity koszt energii elektrycznej na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej obliczony wg cen z dwóch niezależnych zakładów energetycznych wynosi:
- 1385 zł (0,3331 zł/kWh – w grupie taryfowej G11 dla gospodarstw domowych, Vattenfall (dawne GZE))
- 1765 zł (0,4244 zł/kWh – w tej samej grupie taryfowej, Zamojska Korporacja Energetyczna SA)
Jeśli założymy, że system solarny pokrywa 65% zapotrzebowania rocznego (2649 kWh), to zaoszczędzone koszty energii elektrycznej wyniosą odpowiednio 900 i 1147 zł.
Czas zwrotu jest stosunkiem kosztów inwestycyjnych do kosztów zaoszczędzonego paliwa. W przypadku nakładów inwestycyjnych o wartości 8500 zł czas zwrotu wyniesie odpowiednio:
- 8500:900 = 9 lat,
- 8500:1147 = 7 lat.
Jak widać czas zwrotu jest dość długi, tym bardziej, że został odniesiony w stosunku do kosztów energii elektrycznej. W przypadku porównania z podgrzewaniem gazowym czas ten będzie wydłużony ty bardziej im tańsze będzie paliwo. W zależności od sprzedawcy systemu solarnego koszt inwestycji może być zmienny.
Przeprowadźmy podobne obliczenia, tym razem dla instalacji słonecznej współpracującej z tradycyjnym systemem podgrzewania ciepłej wody użytkowej zasilanym paliwem gazowym.
Przy podobnych założeniach (pokrycie 65% zapotrzebowania przez instalację słoneczną) wyniesie 392 zł rocznie, a czas zwrotu systemu solarnego:
- 8500 zł: 392 zł/rok - 22 lata.
Instalacje słoneczne powinny zatem uwzględniać indywidualne potrzeby użytkowników. Wykorzystanie zarówno istniejącego zbiornika jak i innych elementów może odczuwalnie ograniczyć koszty takiej instalacji i zarazem zwiększyć opłacalność inwestycji. Obserwując rosnącą tendencję cen paliw można przypuszczać, systemy solarne będą stale zwiększać swoją atrakcyjność ekonomiczną.
Podstawa opracowania: „Murator” 8/2006