Kolektory słoneczne

Europa zachodnia w latach 70-tych przeżyła pierwszy wielki kryzys paliwowy. Wzrost cen nośników energii zmusił kraje zachodu do poszukiwania oszczędności oraz opracowania i wdrażania technologii wykorzystującej energię odnawialną. Stopniowo rosło zainteresowanie energią słoneczną, jak również świadomość zagrożeń związanych ze zmianami klimatu. Pojawiły się także programy wspierające rozwiązania oparte o odnawialne źródła energii.

Gdy pierwszy raz podczas studiów na Politechnice Wrocławskiej dowiedziałem się o możliwościach wykorzystania energii słonecznej temat wydawał się prosty i naturalnie od pierwszego momentu zyskał aprobatę właściwie wszystkich studentów. Byliśmy zafascynowani nowymi możliwościami. Niestety, jak się później okazało, praktyczne zastosowanie kolektorów słonecznych zostało odłożone "do szuflady" na prawie 20 lat.

Przez ten czas polska energetyka mocno zakorzeniona w węglu, była jednym z największych emiterów zanieczyszczeń w Europie i na świecie. W emisji dwutlenku węgla w przeliczeniu na jednego mieszkańca jeszcze nie tak dawno zajmowaliśmy w rankingu światowym niechlubne czwarte miejsce. Ciepło było tak tanie, że jakiekolwiek oszczędzanie energii nie opłacało się.

solarna alternatywa

Właściwie trudno jest określić precyzyjnie początki stosowania energii słonecznej do celów podgrzewania wody. Ślady takich działań można odnaleźć prawie w każdej kulturze i w każdym wieku. Pierwsze rozwiązania poprawiające sprawność kolektorów zostały opracowane pod koniec XIX wieku i udoskonalone dziś są stosowane przez wszystkie firmy.

Gwałtowny rozwój kolektorów słonecznych w drugiej połowie XX wieku wiąże się niewątpliwie z wprowadzaniem narodowych programów wykorzystania energii słońca. Do 1988 w Niemczech zainstalowano 250 000 m² powierzchni kolektorów słonecznych.

Równolegle rosło wykorzystanie słońca do produkcji energii elektrycznej. W latach 1991-1995 u naszych zachodnich sąsiadów z nadwyżką zrealizowano program tysiąca dachów. Do 1995 roku zainstalowano ponad 5000 instalacji o sumarycznej mocy 15 MW. W 1998 roku podjęto jeszcze poważniejsze wyzwanie - ogłoszono program 100 000 dachów.

Sukces niemieckich programów opiera się przede wszystkim na funkcjonowaniu systemów dotacji przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej ceny energii cieplnej i elektrycznej uzyskiwanej ze źródeł tradycyjnych. Do zwiększenia wykorzystania energii naszej gwiazdy przekonuje dobra oferta rynkowa firm produkujących i sprzedających sprawdzone zestawy solarne.

Inne kraje nie pozostają w tyle. W tym roku we Francji rozpoczęto program Helios 2000. Każda rodzina otrzymała broszurę informującą jak korzystać z energii słonecznej. Na przełomie dwóch miesięcy ukazało się ponad 300 reklam kolektorów słonecznych. Rząd francuski planuje do roku 2006 zwiększyć liczbę instalacji słonecznych do 15 tysięcy.

Tymczasem w Polsce energia słoneczna jest tylko sporadycznie wykorzystywana. Najczęściej stosuje się kolektory powietrzne służące w rolnictwie do suszenia płodów rolnych, rzadziej kolektory cieczowe. Udział energii słonecznej w bilansie energetycznym Polski jest obecnie praktycznie pomijalny. Jednak prognozy oparte na Strategii redukcji gazów cieplarnianych z 1996 roku wskazują, że w najbliższym dziesięcioleciu powinno zostać zainstalowanych około 2,5 mln m² kolektorów, czyli około 300 000 instalacji przydomowych. Udział energii słonecznej w bilansie energii odnawialnych ma wzrosnąć 550 razy.

typy kolektorów

Kolektor słoneczny jest urządzeniem zamieniającym energię słoneczną na ciepło. Uzyskana w ten sposób energia cieplna może być gromadzona w zasobnikach, a następnie wykorzystywana do ogrzewania mieszkań i do produkcji ciepłej wody. Kolektory są zazwyczaj instalowane na dachach. Istnieje również możliwość ich montażu na ścianie południowej budynku lub na wolnostojącym stelażu. Tak czy inaczej wybór miejsca powinien zapewniać jak najdłuższe i najbardziej efektywne nasłonecznienie. Optymalne jest zwrócenie kolektora na południe i zachowanie kąta nachylenia około 45*.

Zmniejszenie zużycia ciepła w budynkach mieszkalnych, a co za tym idzie emisji szkodliwych gazów jest opłacalne. BANKOWO CIEPLEJ Inwestycje termomodernizacyjne - ograniczające zużycie energii mogą być finansowane z preferencyjnych kredytów. Warunkiem uzyskania rządowej pomocy jest wykonanie audytu, czyli ekonomicznej i ekologicznej oceny efektywności planowanych działań. Skorzystanie z premii termomodernizacyjnej polegającej na 25% umorzeniu kredytu gwarantowanego przez Skarb Państwa umożliwia audyt przygotowany bezpłatnie w ramach Kompleksowego Programu "Bankowo Cieplej". Przeprowadzone już w ramach Programu inwestycje termomodernizacyjne w domkach jednorodzinnych podniosły ich standard techniczny oraz zmniejszyły koszty ogrzewania nawet o 60%. Więcej informacji udziela oraz przyjmuje zgłoszenia Ośrodek Oszczędzania Energii Dolnośląskiej Fundacji Ekorozwoju Wrocław, ul. Długosza 41, tel./fax 071-3726089 www.eko.org.pl/energia energia@eko.org.pl

W Polsce, ze względu na cenę, stosowane są najczęściej kolektory płaskie. Rzadko spotykane są kolektory rurowe-równoległe, które koncentrują promieniowanie słoneczne za pomocą luster parabolicznych na rurze wypełnionej będącą nośnikiem ciepła cieczą. Do najbardziej efektywnych rozwiązań tego typu należą kolektory Dornira pracujące w systemie Heat-Pipe. Wewnątrz rury próżniowej znajduje się rura cieplna z niezamarzającym płynem solarnym będącym mieszanką alkoholową podobną do samochodowych płynów chłodniczych.

Efektywność procesu przekształcania promieniowania słonecznego na ciepło użytkowe zależy od wielu czynników. Przy podejmowaniu decyzji o wyborze kolektora należy zwrócić uwagę przede wszystkim na sprawność proponowanego systemu. Ważne jest, aby kolektor miał wysoki współczynnik * absorpcji krótkofalowego promieniowania słonecznego - najlepiej jeśli sięga on wartości 0,95. Drugim współczynnikiem mającym wpływ na sprawność kolektora jest współczynnik emisji *, który w zakresie długich fal powinien być z kolei jak najmniejszy np. * = 0,1.

Sprawność kolektorów * może sięgać nawet 85 %, dotyczy to jednak rozwiązań opartych o technologie próżniowe Heat-Pipe. Popularne płaskie kolektory posiadają sprawność maksymalną rzędu 75%. W rzeczywistości jednak sprawność zmienia się w zależności do natężenia promieniowania i różnicy temperatur w stosunku do otoczenia. Ilość uzyskanej energii cieplnej zależy głównie od budowy kolektora: zastosowanej izolacji cieplnej, typu powłoki, pojemności cieplnej czy też rodzaju szyb. Przy wyborze ważne jest porównanie temperatury jałowej pracy kolektorów, czyli minimalnej temperatury otoczenia przy której zaczynają one pracować.

Straty cieplne, mogą obniżyć sprawność kolektora nawet do 30%. Ich graniczenie możliwe jest przy zastosowaniu wysokiej klasy, dobrze zaizolowanych kolektorów. Duże znaczenie ma różnica temperatur pomiędzy kolektorem, a otoczeniem. Im jest ona większa tym bardziej wzrastają straty termiczne. Dla kolektorów selektywnych (np. kolektory typu Heat-Pipe) utrata sprawności dla różnicy temperatur 40* C wynosi do 15%. Sprawność kolektorów płaskich, dla tej samej różnicy temperatur, może się zmniejszyć nawet o 50%. Oznacza to, że w okresie zimowym praktycznie nie można liczyć na uzyskanie ciepła z kolektorów płaskich.

Również niższe natężenie promieniowania słonecznego obniża sprawność. Przy napromieniowaniu 500 W/m² (50% napromieniowania maksymalnego) kolektory o wysokiej efektywności osiągają sprawność 65%. Dla kolektorów płaskich jednoszybowych o małej zdolności wychwytywania energii i o niskim współczynniku absorpcji *, sprawność może zmaleć nawet poniżej poziomu 10%. Przyjmuje się zwykle, że średnioroczna sprawność całego systemu składającego się z kolektora i instalacji waha się w okolicach 50%. Oznacza to, że w warunkach polskich roczna ilość ciepła wyniesie z 1 m² około 500 kWh/m².

ogrzewanie mieszkań

Kolektory słoneczne najczęściej wykorzystywane są do podgrzewania ciepłej wody. Istnieje również możliwość wykorzystania kolektorów słonecznych do ogrzewania mieszkań i budynku. Wykorzystanie całoroczne energii słonecznej do centralnego ogrzewania jest przedsięwzięciem kosztownym. Dzięki kolektorowi można w polskich warunkach średnio w ciągu roku uzyskać od 450 do 600 kWh/m², co wystarcza teoretycznie na ogrzanie 1,5 m² słabo zaizolowanego domku jednorodzinnego, lub 4 do 6 m² bardzo dobrze zaizolowanego budynku.

W praktyce istnieje jednak problem ze zmagazynowaniem pozyskanej ze słońca energii cieplnej na wystarczająco długi czas. W tym celu konieczne byłyby ogromne zbiorniki np. z wodą, do zmagazynowania ciepła. W niektórych krajach spotkać można groty skalne wypełnione wodą, służące do gromadzenia ciepła. Ciepła woda jest wykorzystywana do celów grzewczych w sezonie zimowym. Koszt takiego przedsięwzięcia przewyższa znacznie zyski.

Istnieje możliwość zastosowania wysokosprawnych kolektorów słonecznych umożliwiających również zimą "produkcję energii cieplnej" z energii słonecznej. Zapotrzebowanie na energię cieplną zimą jest największe, a ilość energii słonecznej możliwa do przetworzenia w energię cieplną jest najmniejsza. Aby dostarczyć, chociaż część energii koniecznej do ogrzewania stosuje się zwiększoną powierzchnię kolektorów o wysokiej sprawności.

Proponuje się na każdy dwa metry kwadratowe mieszkania 1 m² powierzchni kolektora. Przy takim rozwiązaniu w grudniu i w styczniu istnieje okresowy niedobór energii. Wynosi on dla domu średnio ocieplonego około 75 kWh/m² , a dla domu bardzo dobrze zaizolowanego - około 25 kWh/m². Brakującą energię należy dostarczyć za pomocą np. kotła gazowego, najlepiej kondensacyjnego, pompy cieplnej lub energii elektrycznej. Z kolei w miesiącach wiosenno - letnich występuje nadmiar energii, którą może być wykorzystywany np. do podgrzewania wody w basenie.

Wykorzystanie energii słonecznej dla centralnego ogrzewania wymaga zastosowania dużej powierzchni kolektorów - n.p. dla domku o powierzchni 100 m² optymalnie 50 m² zaś minimum 25 m². W kosztorysie przyjęto potrzebę instalacji 25 m² kolektorów - koszt 25.000 zł. Zastosowanie ogrzewania podłogowego lub zwiększenie powierzchni grzejników tak, aby zapewniły wystarczającą ilość ciepła przy parametrach grzewczych 45*C / 30*C to dodatkowe koszty rzędu co najmniej o 2000 - 3000 zł w stosunku do tradycyjnego rozwiązania. Dodatkowy zbiornik buforowy o pojemności minimum 500 l to extra koszt około 5000 zł, natomiast kocioł kondensacyjny droższy jest od zwykłego o około 3500 zł. W przypadku rozbudowanej automatyki pogodowej - dodatkowy koszt wyniesie około 2500 zł, a zwiększony zasobnik ciepłej wody (przynajmniej 300 litrowy) oznacza dodatkowy koszt około 2500 zł. Należy pamiętać także o dodatkowych kosztach około 200 zł przy wykonaniu instalacji kolektora. Sumując razem - dodatkowy koszt na wykonanie instalacji c.o. wykorzystującej energię słoneczną wyniesie 40 500 zł.

Możliwe oszczędności mogą sięgać kwoty 2 800 - 3 200 zł/rok, co oznacza, że prosty czas zwrotu wynosi: SPBT = 40500/3200 = 12,6 roku , zdyskontowana wartość NPV w okresie 20 lat wynosi: NPV = -5 236, co oznacza, że przy braku wsparcia w formie dotacji inwestycja jest nieopłacalna. Uzasadnieniem dla wspierania tego typu realizacji jest będąca w interesie społecznym redukcja emisji szkodliwych związków do atmosfery.

produkcja ciepłej wody

Znacznie bardziej opłacalne, dzięki całorocznemu stałemu zapotrzebowaniu, jest wykorzystanie energii słońca do ogrzania wody użytkowej. Koszty inwestycji dla czteroosobowej rodziny wynoszą w zależności od typu kolektorów słonecznych od 7000 zł do 15000 zł. Do produkcji ciepłej wody można zastosować z dużym powodzeniem kolektory płaskie. Dla czteroosobowej rodziny wystarczy 3 – 5 m² powierzchni kolektora. Wymagana minimalna pojemność zbiornika ciepłej wody dla czteroosobowej rodziny powinna wynosić 300 l. Zazwyczaj zbiorniki na ciepłą wodę-zasobniki ciepłej wody wyposażone są w grzałkę elektryczną lub podwójną wężownicę umożliwiającą zimą ogrzewanie wody za pomocą kotła centralnego ogrzewania.

Opłacalność wykorzystania kolektorów słonecznych do produkcji ciepłej wody zależy od wielkości zapotrzebowania na ciepłą wodę oraz od ceny energii. Przy dużym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę czas zwrotu kosztów poniesionych na wykonanie instalacji kolektorów słonecznych jest bardzo krótki. Inwestycja jest szczególnie opłacalna hoteli pensjonatów, ośrodkach wypoczynkowych, pól namiotowych, basenów i obiektów sportowych wykorzystywanych w lecie. Może być ona również z powodzeniem stosowana w zakładach przemysłowych zużywających duże ilości ciepłej wody oraz zakładach kąpielowych, łaźniach. Dla pozostałych odbiorców inwestycja wymaga wsparcia.

Istnieje również możliwość wykonania układu mieszanego ogrzewającego ciepłą wodę, a w okresie przejściowym (marzec, kwiecień, wrzesień, październik) dostarczającego część ciepła do centralnego ogrzewania. Układy tego typu wymagają zastosowania większych zasobników ciepłej wody oraz bardziej skomplikowanej automatyki. Koszty inwestycji są jednak znacznie mniejsze niż przy wykonywaniu instalacji kolektorów wykorzystywanych do ogrzewania budynku.

Podziękowania dla firm:
Polska Ekologia Sp. z o.o.,
Stiebel Eltorn Polska Sp.zo.o.,
Viessmann Sp. z o.o.
za udostępnienie materiałów

tabele