ANALIZA SKUTECZNOŚCI KONWERSJI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W PRZEGRODACH ZEWNĘTRZNYCH BUDYNKU W WARUNKACH KLIMATU LOKALNEGO.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA w GLIWICACH WYDZIAŁ BUDOWNICTWA KATEDRA BUDOWNICTWA OGÓLNEGO I FIZYKI BUDOWLI ANALIZA SKUTECZNOŚCI KONWERSJI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W PRZEGRODACH ZEWNĘTRZNYCH BUDYNKU W WARUNKACH KLIMATU LOKALNEGO Dominik WOJEWÓDKA Praca doktorska Promotor: Prof. dr hab. inż. Jan ŚLUSAREK Słowa kluczowe: ogniwa fotowoltaiczne, BIPV, przegroda hybrydowa, zyski słoneczne, bilans energetyczny budynku Gliwice, 2012

2 Chciałbym podziękować wszystkim tym, którzy przyczynili się do powstania tej pracy, a w szczególności: mojemu promotorowi Panu Profesorowi Janowi Ślusarkowi, Kolegom z Katedry i moim najbliższym.

3 SPIS TREŚCI WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ WSTĘP STAN WIEDZY WYKORZYSTANIE PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W BUDOWNICTWIE Podstawy geometrii promieniowania słonecznego Promieniowanie bezpośrednie Promieniowanie rozproszone Promieniowanie odbite Dostępność promieniowania słonecznego w warunkach klimatu lokalnego Wykorzystanie promieniowania słonecznego w sposób aktywny Wykorzystanie promieniowania słonecznego w sposób pasywny PRZEGRODY ZEWNĘTRZNE BUDYNKU AKTYWNE SŁONECZNIE Wentylowana ściana Trombe a Modyfikowana ściana Trombe a Przegrody z izolacją transparentną Fsada podwójna BIPV FOTOWOLTAIKA ZINTEGROWANA Z BUDOWNICTWEM (BIPV) Możliwości wykorzystania technologii BIPV w budownictwie Problemy przy integracji fotowoltaiki z budownictwem TEZY CEL I ZAKRES PRACY POSTAWIONE TEZY ANALIZA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO NA PŁASZCZYZNĘ NACHYLONĄ POMIARY NATĘŻENIA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO Aparatura wykorzystywana w pomiarach Badania własne natężenia promieniowania słonecznego MODELOWANIE PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO NA PŁASZCZYZNĘ NACHYLONĄ Modelowanie promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą Optymalny kat nachylenia dla systemów solarnych Modelowanie promieniowania słonecznego na płaszczyznę nachyloną ANALIZA DOSTĘPNOŚCI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W WARUNKACH KLIMATU LOKALNEGO Dostępność na różnie usytuowane przegrody budowlane Wpływ zacienienia na efektywność elektryczną modułów PV/systemów solarnych BADANIA WSTĘPNE PROWADZĄCE DO PRZYJECIA ROZWIĄZAŃ MATERIAŁOWO-KONSTRUKCYJNYCH PRZEGRODY HYBRYDOWEJ OPIS PROGRAMU SYMULACYJNEGO ESP-r BUDOWA MODELU STANOWISKA BADAWCZEGO W PROGRAMIE SYMULACYJNYM ANALIZA OTRZYMANYCH WYNIKÓW I WYBÓR WARIANTU MATERIAŁOWEGO PRZEGRODY BADANIA EFEKTYWNOŚCI KONWERSJI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W ENRERGIĘ ELEKTRYCZNĄ W MODUŁACH PV ZINTEGROWANYCH Z BUDYNKIEM MODELOWANIE EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ MODUŁÓW PV ZINTEGROWANYCH Z PRZEGRODĄ ZEWNĘTRZNĄ BUDYNKU Wpływ podstawowych parametrów modułów PV na ich efektywność Teoretyczne modele temperatury i efektywności energetycznej modułów CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA BADAWCZEGO I APARATURY POMIAROWEJ WYNIKI POMIARÓW PROWADZONYCH NA STANOWISKU BADAWCZYM Pomiary podstawowych wielkości meteorologicznych... 88

4 Pomiary tylnej powierzchni modułów PV Pomiary tylnej powierzchni modułów brak wentylacji badania wstępne Pomiary tylnej powierzchni modułów wewnętrzna kurtyna powietrzna badania wstępne Pomiary tylnej powierzchni modułów podgrzewanie powietrza wentylacyjnego badania 94 wstępne Pomiary tylnej powierzchni modułów zewnętrzna kurtyna powietrzna badania wstępne Wybór układu konstrukcyjnego i sposobu wentylacji przegrody hybrydowej TEMPERATURA TEORETYCZNA I POMIAROWA MODUŁÓW PV Próba wyznaczenia współczynników korekcyjnych metoda uproszczona Próba wyznaczenia współczynników korekcyjnych metodą najmniejszych kwadratów EFEKTYWNOŚĆ KONWERSJI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ W PRZEGRODZIE HYBRYDOWEJ ANALIZA TERMICZNA PRZEGRODY HYBRYDOWEJ POMIARY IN-SITU IZOLACYJNOŚCI CIEPLNEJ PRZEGRODY BAZOWEJ Opis stanowiska badawczego Wyniki badań zarejestrowane na stanowisku badawczym Metody określania pomiarowej wartości oporu cieplnego R Porównanie wartości teoretycznych i pomiarowych Analiza wyników badań TEORETYCZNY MODEL WĘZŁOWY DLA PRZEGRODY HYBRYDOWEJ BEZ WENTYLACJI WYZNACZENIE OPORU ZASTĘPCZEGO DLA CZĘŚCI HYBRYDOWEJ PRZEGRODY R eqiuv EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA ROZWAŻANEJ PRZEGRODY HYBRYDOWEJ W WARUNKACH KLIMATU LOKALNEGO METODY OCENY EKONOMICZNEJ PRZEDSIĘWZIĘĆ ENERGOOSZCZĘDNYCH OCENA OPŁACALNOŚCI PRZEDSIĘWZIĘĆ ENERGOOSZCZĘDNYCH Wskaźniki statyczne Wskaźniki dynamiczne Pozaekonomiczne wskaźniki oceny inwestycji BILANS ENERGETYCZNY PRZEGRODY HYBRYDOWEJ I TRADYCYJNEJ EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA ROZWAŻANEJ PRZEGRODY HYBRYDOWEJ OCENA POZAEKONOMICZNA POTENCJAŁ APLIKACJI ROZWIĄZAŃ PRZEGRODY HYBRYDOWEJ Z BIPV W WARUNKACH POLSKICH WNIOSKI I KIERUNEK PRZYSZŁYCH BADAŃ LITERATURA Załącznik Załącznik Załącznik

5 Wykaz ważniejszych oznaczeń Symbole łacińskie: Ab 0, Ab 1 - miesięczna opłata abonamentowa przed i po wykonaniu inwestycji, a,b - współczynniki empiryczne do obliczania temperatury tylnej powierzchni modułu PV, a P, b P współczynniki korekcyjne w modelu Pereza, C m - pojemność cieplna przegrody [J/m 2 K], c pojemność cieplna powietrza [J/kgK], d 1 grubość i-tej warstwy przegrody bazowej[ C], E PV efektywność teoretyczna modułu PV, h c konwekcyjne współczynniki przenikania ciepła [W/m 2 K], I b natężenie promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ], I b,n natężenie promieniowania bezpośredniego normalnego na płaszczyznę [W/m 2 ], I b,β natężenie promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ], I c natężenie promieniowania całkowitego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ], I c,β natężenie promieniowania całkowitego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ], I d natężenie promieniowania rozproszonego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ]. I d,β natężenie promieniowania rozproszonego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ], I 0 natężenie promieniowania okołoziemskiego na granicy atmosfery ziemskiej [W/m 2 ], I 0,n natężenie promieniowania okołoziemskiego normalnego na płaszczyznę [W/m 2 ], I r,β natężenie promieniowania odbitego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ], k T współczynnik jasności, m droga optyczna promieni słonecznych, N 0 - nakłady finansowe poniesione na realizację przedsięwzięcia energooszczędnego [zł], O 0m, O 1m - opłata stała miesięczna przed i po wykonaniu inwestycji, O 0z, O 1z - opłata zmienna za jednostkę energii przed i po wykonaniu inwestycji, Q 0u, Q 1u - roczne zapotrzebowanie na ciepło na pokrycie strat przez przenikanie przed i po wykonaniu inwestycji, [GJ/rok], q 0u, q 1u - zapotrzebowanie na moc cieplną, na pokrycie strat przez przenikanie przed i po wykonaniu inwestycji, [MW], q conv gęstość strumienia energii cieplnej przekazywanej na drodze konwekcji [W/m 2 ], q el gęstość strumienia energii elektrycznej z modułów PV [W/m 2 ], q H,i gęstość strumienia energii cieplnej przekazywanej do wnętrza fasady [W/m 2 ], q H,e gęstość strumienia energii cieplnej przekazywanej do otoczenia [W/m 2 ], q i gęstość strumienia energii cieplnej przez przenikanie przez przegrodę [W/m 2 ], q rad gęstość strumienia energii cieplnej przekazywanej na drodze promieniowania [W/m 2 ], q sol gęstość strumienia energii cieplnej z promieniowania słonecznego [W/m 2 ], R T całkowity opór cieplny przegrody [m 2 K/W], R equiv ekwiwalentny opór cieplny części fasady hybrydowej [m 2 K/W], r - stopa dyskonta, uwzględniająca spadek wartości pieniądza w czasie, r b wskaźnik geometryczny - stosunek natężenia promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę nachyloną do promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę horyzontalną, 5

6 t air temperatura powietrza w pustce [ C], t d temperatura powietrza na wlocie do pustki powietrznej [ C], t e - temperatura powietrza zewnętrznego [ C], t g temperatura powietrza na wylocie z pustki powietrznej [ C], t i pomiar temperatury powietrza wewnętrznego w komorze badawczej [ C], t PV temperatura powierzchni tylnej modułów PV [ C], t ref - temperatura referencyjna modułu PV [ C], t sd temperatura powietrza w dolnej szczelinie wentylacyjnej [ C], t sg temperatura powietrza w górnej szczelinie wentylacyjnej [ C], t wi temperatura powierzchni wewnętrznej przegrody bazowej [ C], t we temperatura powierzchni zewnętrznej przegrody bazowej [ C], U współczynnik przenikania ciepła dla przegrody [W/m 2 K], V przepływ powietrza [m 3 /s], v sd pomiar prędkości przepływu powietrza w dolnej szczelinie wentylacyjnej [m/s], v sg pomiar prędkości przepływu powietrza w górnej szczelinie wentylacyjnej [m/s], ΔO r - uzyskane roczne zmniejszenie kosztów energii [zł/rok]. WS - prędkość wiatru [m/s], x 0, x 1 - udział źródła w zapotrzebowaniu na ciepło przed i po wykonaniu inwestycji, y 0, y 1 - udział źródła w zapotrzebowaniu na moc cieplną przed i po wykonaniu inwestycji, Symbole greckie: α s kąt wzniesienia Słońca [ ], α i współczynnik napływu ciepła [W/m 2 K], α e współczynnik odpływu ciepła [W/m 2 K], β kąt pochylenia powierzchni względem poziomu [ ], β s - spadek sprawności/1 stopień wzrostu temperatury modułu PV, γ kąt azymutalny powierzchni [ ], γ s kąt azymutalny Słońca [ ], δ deklinacja Słońca [ ], ε czystości atmosfery, emisyjność materiału, η ref - efektywność energetyczna referencyjna modułu PV, η PV - efektywność energetyczna modułu PV, θ kąt padania promieniowania na powierzchnię, θ z kąt zenitalny [ ], λ współczynnik przewodzenia ciepła materiału [W/mK], ρ wartość albedo powierzchni ziemi, ρ air gęstość powietrza [kg/m 3 ], σ stała Boltzmana, τ, α, ρ parametry modułu PV transmisyjność, absorpcyjność, refleksyjność, φ szerokość geograficzna [ ], ω kąt godzinowy położenia Słońca na widnokręgu [ ]. 6

7 1. Wstęp Zasoby energii - pozyskiwanej z paliw kopalnych - to potencjał, jakim dysponuje się często w sposób beztroski. Tymczasem poziom konsumpcji energii na świecie wzrósł w ostatnich dekadach tak znacznie, że zasoby Ziemi w paliwa kopalne takie, jak węgiel kamienny, brunatny, ropa naftowa czy gaz ziemny - na których światowa energetyka nadal bazuje - uszczupliły się na tyle, że coraz częściej mówi się o potrzebie oszczędzania energii i wykorzystywania zasobów odnawialnych [6, 54, 71]. Analiza stanu wiedzy na temat rozprawy wskazuje na często pojawiające się zagadnienie konwersji promieniowania słonecznego w przegrodach zewnętrznych budynku, w świetle rozwijających się rozwiązań technologicznych oraz powszechnego dążenia do zwiększenia wydajności systemów wykorzystujących odnawialne źródła energii [5, 39, 45, 46, 107, 112]. Jedną z najprężniej rozwijających się dziedzin energetyki odnawialnej jest bezpośrednia konwersja energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych (PV) [15, 45, 68, 102, 135]. Przetworzenie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną w ogniwach PV odbywa się bezgłośnie, bez zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Otrzymany prąd stały - po przekształceniu na prąd zmienny (falowniki) o pożądanym napięciu i częstotliwości - wykorzystywany być może bezpośrednio w sieci elektroenergetycznej bądź magazynowany w akumulatorach. W ostatnim czasie, coraz większego znaczenia nabiera obniżanie energochłonności budynków istniejących jak i projektowanie nowych w standardzie energooszczędnym [1, 12, 27, 35, 53, 67, 69, 70, 96, 97, 110, 116, 126]. W obiektach tych bardzo istotna jest obudowa strefy o regulowanej temperaturze. W literaturze wiele miejsca poświęcono prawidłowemu jej zaprojektowaniu tak od strony materiałowo-technologicznej, jak i architektonicznourbanistycznej [4, 24, 33, 34, 37, 116, 124, 136, 141]. Budynek, bowiem, wraz z zastosowanymi rozwiązaniami technologicznymi musi skutecznie funkcjonować w danych realiach lokalizacyjnych [3, 5, 84, 87, 95, 129]. W nowoczesnym budownictwie energooszczędnym często sięga się po rozwiązania nietypowe, nowe technologie oraz rozwiązania hybrydowe [22, 60, 106, 117, 127]. Dotyczy to między innymi przegród ograniczających strefę ogrzewaną w budynku. Jednym z przykładów może być wykorzystanie modułów PV jako elementów obudowy budynku [2, 3, 16, 41, 114, 134]. Technologia integrowania elementów fotowoltaicznych z obudową budynku (BIPV z ang. Building Integrated Photovoltaics) ma na celu montaż modułów PV, generujących 7

8 energię elektryczną. Energia elektryczna powstaje w wyniku konwersji promieniowania słonecznego w ogniwach PV. Technologia ta nie jest nowa początki zauważa się w literaturze z lat 70-tych, w okresie rewolucji fotowoltaicznej [73, 86, 115, 121]. Swoja drugą młodość przeżywa od lat 90-tych [11, 28, 39]. Szczególnie teraz, gdy postępujący rozwój technologiczny wpływa na powstawanie coraz nowszych i bardziej efektywnych rozwiązań, przy ciągle obserwowanym spadku cen, BIPV ma duży potencjał wykorzystania i wpisania się na stałe do kanonów nowoczesnego budownictwa. Technologia BIPV ma wiele zalet, jak wyeliminowanie strat związanych z przesyłaniem energii, gdyż może być wytwarzana i wykorzystywana w tym samym miejscu; czy też możliwość zastąpienia tradycyjnych materiałów budowlanych przy tworzeniu obudowy budynku oraz tworzenie układów hybrydowych spełniających podstawowe zadania osłony budynku i umożliwiające bezpośrednie pozyskiwanie energii elektrycznej [32, 42, 43, 64, 132]. Z tego też względu BIPV to nie tylko sektor budynków nowych i nowo projektowanych ale także modernizacja budynków istniejących. Znane są realizacje, w których - w celu poprawy jakości cieplnej obudowy budynku - zastosowano fasady hybrydowe spełniające ten postulat z jednej strony oraz dodatkowo pozyskujące energię dla budynku z drugiej [29, 52]. Przykładem nowego budynku, w którym zastosowano technologię BIPV w postaci fasady podwójnej może być budynek biurowy Power Tower w Linz, w Austrii, natomiast budynku modernizowanego Hotel Stadthalle w Wiedniu, w Austrii (Rys. 1.1). a) b) Rys.1.1. Przykłady budynków z BIPV: a) nowy budynek biurowy, b) budynek istniejący [fot. własne] 8

9 Rozwiązania integracji modułów PV z przegrodami pionowymi nie są w Polsce popularne i brak jest wskazań praktycznych dla projektantów tego typu przedsięwzięć. Na świecie znane są rozwiązania integrujące fasadę PV z budynkiem. Rozpatruje się tutaj różne układy konstrukcyjne i technologiczne takich przegród. Typowym w tym zakresie staje się rozwiązanie fasady wentylowanej. Ruch powietrza w szczelinie ma zwiększyć sprawność modułów PV a jednocześnie może być wykorzystany wewnątrz pomieszczenia. Zwraca się jednak uwagę na dostosowanie rozwiązań projektowych do lokalnych warunków klimatycznych [3, 7, 15, 99, 103]. Jednak ogniwa fotowoltaiczne, jak każdy system, mają swoje słabe strony. Głównym problemem jest znaczne nagrzewanie się ogniw pod wpływem promieniowania słonecznego, wskutek czego obniża się ich sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną [11, 19, 50, 114]. Istotna okazuje się tu być kwestia skuteczności zastosowanych rozwiązań przegród zewnętrznych budynku z zabudowanymi ogniwami PV w warunkach klimatu lokalnego. Zróżnicowane natężenie promieniowania słonecznego padającego na fasady budynku w różnych porach roku i lokalizacji powoduje, że istotnym zagadnieniem - szeroko dyskutowanym w literaturze - staje się określenie skuteczności ww. rozwiązań w warunkach klimatu lokalnego [20, 21, 41, 82, 88, 91, 114, 125]. Dla określenia skuteczności konwersji promieniowania słonecznego w zewnętrznych przegrodach budynku, konieczna jest znajomość obciążenia termicznego przegród przy występujących lokalnie warunkach klimatycznych. Podstawowymi danymi do wskazanych analiz są godzinowe wartości promieniowania słonecznego całkowitego i rozproszonego na płaszczyznę nachyloną [21, 36]. Niestety w wielu stacjach aktynometrycznych rejestruje się jedynie pomiary na płaszczyznę horyzontalną. W tej sytuacji konieczne jest zastosowanie modeli matematycznych, pozwalających na przeliczenie danych z płaszczyzny horyzontalnej na nachyloną, o dowolnym kącie. Spośród dostępnych modeli zaleca się wykorzystanie modeli anizotropowych [64, 77, 91, 94, 105, 138]. Dane związane z lokalnym nasłonecznieniem wykorzystać można do określenia teoretycznej sprawności elektrycznej modułów PV zintegrowanych z fasadą. Istnieje szereg modeli teoretycznych bazujących na wcześniej określonej temperaturze tylnej powierzchni modułu PV [7, 28, 66, 104, 120, 133]. Przy określeniu temperatury modułu, wykorzystać można też empiryczny model matematyczny [66]. Jednakże, nie został on zweryfikowany dla wszystkich przypadków fasady z PV. 9

10 Poza sprawnością elektryczną, istotne jest określenie efektywności termicznej zastosowanego rozwiązania fasady hybrydowej BIPV na budynku. Dopiero to pozwala na określenie całkowitej efektywności energetycznej przegrody i porównanie jej z rozwiązaniami tradycyjnymi. W tym momencie projektant staje przed nie lada wyzwaniem. Ma, co prawda, do dyspozycji narzędzia symulacyjne (jak ECOTECT [149] czy ESP-r [152]) lub opracowane modele matematyczne [8, 23, 61, 122, 133, 145], lecz ich wykorzystanie w codziennej pracy projektowej może okazać się zdecydowanie zbyt skomplikowane i pracochłonne. W tym celu opracowany został w pracy model oporu zastępczego R equiv dla części hybrydowej przegrody, co umożliwi przeprowadzenie analiz wstępnych dla budynku, przy wykorzystaniu standardowej procedury obliczeniowej - znanej z rozporządzenia [171] - w oparciu, o którą wykonuje się świadectwo charakterystyki energetycznej budynku. Bez określenia sumarycznej efektywności energetycznej układu, trudno mówić o rzetelnej analizie ekonomicznej, na której opiera się zwyczajowo podjęcie decyzji o uruchomieniu danej inwestycji. Opracowania i raporty [168] wskazują na niewystarczający system wsparcia dla technologii PV w Polsce, co sprawia, że potencjał dynamicznego rozwoju tego sektora w naszym kraju pozostaje mocno ograniczony. 10

11 2. Stan wiedzy 2.1. Wykorzystanie promieniowania słonecznego w budownictwie Skuteczność każdego systemu solarnego zależy od dostępności promieniowania słonecznego na danym terenie. Cechą charakterystyczną promieniowania jest jego zmienność, nie tylko w ujęciu rocznym, ale i dobowym, osiągając maksimum w południe, gdy droga przez atmosferę ziemską jest najkrótsza. Także liczba godzin słonecznych w ciągu dnia zmienia się sezonowo, będąc najkrótsza w okresie zimowym, kiedy potrzeba wykorzystania promieniowania słonecznego jest największa w celu minimalizacji potrzeb grzewczych budynku. [81]. Poza czynnikami geograficznymi mającymi wpływ na dostępność promieniowania słonecznego, istnieją liczne czynniki lokalne. Wskazać w tym miejscu można chociażby na szeroko pojęte zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego, mogące obniżyć ilość dostępnego promieniowania słonecznego nawet o 10%, czy też typowy dla danej lokalizacji rodzaj i stopień zachmurzenia [81]. W analizie efektywności energetycznej budynków, czy systemów solarnych wykorzystuje się lokalne dane klimatyczne, w tym dotyczące promieniowania słonecznego, bazujące na długoletnich pomiarach. Dane związane z dostępnością promieniowania słonecznego przygotowywane są najczęściej w postaci średnich miesięcznych promieniowania całkowitego na płaszczyznę horyzontalną i nachyloną. Wykorzystywane są głównie w komputerowych programach bilansowych, służących do określania efektywności energetycznej budynków. Pewne procesy lub złożona analiza energetyczna wymaga jednak przygotowania bardziej szczegółowych danych w postaci wartości godzinowych. Na bazie długoletnich pomiarów z takim krokiem czasowym przygotowywany jest typowy rok meteorologiczny dla danej lokalizacji, wykorzystywany dalej powszechnie w programach do symulacji energetycznej budynków, czy instalacji. Wyniki oparte na danych godzinowych są często bardziej dokładne i lepiej nadają się do odzwierciedlenia parametrów klimatu, charakteryzujących się dużą zmiennością jak promieniowanie słoneczne [36, 81] Podstawy geometrii promieniowania słonecznego Emitowane promieniowanie słoneczne dociera do zewnętrznej warstwy atmosfery ziemskiej jako promieniowanie bezpośrednie. Tu ulega częściowemu rozproszeniu, tak więc jedynie pewna ilość promieniowania dociera wzdłuż linii prostej od tarczy słonecznej do dowolnie położonego punktu na Ziemi, czyli jako promieniowanie bezpośrednie. Poza 11

12 promieniowaniem bezpośrednim pada na powierzchnię Ziemi z różnych kierunków, promieniowanie rozproszone przez atmosferę oraz promieniowanie odbite przez otaczające przedmioty i podłoże. Potencjał odbioru i wykorzystania promieniowania przez dany obiekt zależny jest od lokalizacji, usytuowania, kształtu, materiałów z jakich jest wykonany oraz od innych, czasem równie ważnych czynników [21]. Stąd też przy analizowaniu możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego, istotne jest prawidłowe określenie położenia rozważanego obiektu względem Słońca. Nie jest to możliwe bez wiedzy w zakresie geometrii sferycznej związanej z ruchem Ziemi względem Słońca [26]. Jako, że w przeważającej ilości systemy solarne projektuje się jako nachylone do poziomu pod pewnym kątem β, konieczne jest określenie ilości promieniowania słonecznego, docierającego do dowolnie nachylonej płaszczyzny. Można zastosować w tym miejscu konkretne dane uzyskane z pomiarów rzeczywistych lub wyznaczyć je z dostępnych modeli matematycznych, pamiętając, że całkowite promieniowanie słoneczne padające na płaszczyznę nachyloną pod kątem β wyznaczyć można ze wzoru [26]: I = I + I + I (2.1) c, β b, β d, β r, β gdzie: I c,β natężenie promieniowania całkowitego na płaszczyznę nachyloną[w/m 2 ], I b,β natężenie promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ], I d,β natężenie promieniowania rozproszonego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ], I r,β natężenie promieniowania odbitego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ]. Do określenia każdej z wymienionych składowych wykorzystuje się parametry kątowe położenia Słońca oraz parametry położenia danej powierzchni na Ziemi względem Słońca, wymienione poniżej i przedstawione na Rys. 2.1.: θ z kąt zenitalny zawarty między normalną do powierzchni poziomej Ziemi, a kierunkiem promieniowania bezpośredniego, α s kąt wzniesienia Słońca zawarty między powierzchnią poziomą Ziemi, a linią zgodną z kierunkiem padania promieniowania bezpośredniego, γ s kąt azymutalny Słońca wyrażający odchylenie od południa rzutu poziomego kierunku rozchodzenia się promieniowania bezpośredniego, β kąt pochylenia powierzchni względem poziomu zawarty między rozważaną powierzchnią, a płaszczyzną poziomą Ziemi, zawarty w przedziale <0 ;180 >, 12

13 γ kąt azymutalny powierzchni zawarty między płaszczyzną normalną do rozważanej powierzchni, a płaszczyzną miejscowego południka, mierzony od kierunku południowego i zawarty w przedziale <-180 ;180 >, na wschód znak ujemny, na południe γ = 0, θ kąt padania promieniowania na powierzchnię zawarty między kierunkiem padania promieniowania bezpośredniego na rozważaną powierzchnię, a normalną do tej powierzchni. W analizach dostępności promieniowania słonecznego na daną płaszczyznę istotna jest także szerokość geograficzna φ (położenie kątowe rozważanej lokalizacji względem równika, na półkuli północnej przyjmująca wartości dodatnie) a także deklinacja Słońca δ i kąt godzinowy położenia Słońca na widnokręgu ω (zmiana czasu o 1h odpowiada zmianie kąta godzinnego o 15 ) [26, 38]. Rys Podstawowe parametry opisujące geometrię słoneczną, związaną z płaszczyzną pochyloną [81] Znajomość powyższych parametrów pozwala na określenie kąta padania promieniowania słonecznego na rozważaną powierzchnię θ, z następującej zależności [21,26]: cosθ = sinδsinφcosβ sinδcosφsinβcosγ + cosδcosφcosβcosω + cosδsinφsinβcosγcosω + cosδsinβsinγsinω (2.2) W pewnych przypadkach równanie (2.2) można uprościć. Dla płaszczyzn nachylonych pod kątem β = 90 do poziomu, równanie przybiera postać: cosθ = sinδcosφcosγ + cosδsinφcosγcosω + cosδsinγsinω (2.3) 13

14 Gdy mamy do czynienia z płaszczyzną horyzontalną, równanie (2.2) przyjmuje poniższą postać i opisuje jednocześnie kąt zenitalny Słońca θ z : cosθ z = cosφcosδcosω + sinφsinδ (2.4) Dla płaszczyzn o orientacji południowej lub północnej, o kącie azymutalnym odpowiednio: γ = 0 lub γ = 180, ostatnia część równania (2.2) jest równa 0. Znajomość powyższych parametrów pozwala także na obliczenie wartości godzinowych promieniowania słonecznego okołoziemskiego, dzięki któremu możliwe jest porównanie ilości energii docierającej do powierzchni Ziemi, do teoretycznie możliwej do uzyskania przy założeniu braku atmosfery [21]: ( t) 360n I 0 () t = I sc () t 1 + 0,033cos + ω 365 ( sin( δ () t ) sin( ϕ) cos( δ ( t) ) cos( ϕ) cos( ( t) )) (2.5) gdzie napromieniowanie I sc (t) jest scałkowanym po przedziale czasu równym jednej godzinie, natężeniem promieniowania słonecznego docierającego do zewnętrznych warstw atmosfery. Umiejętność określenia wartości natężenia okołoziemskiego na płaszczyznę horyzontalną jest zagadnieniem kluczowym przy określaniu udziału promieniowania bezpośredniego i rozproszonego w promieniowaniu całkowitym Promieniowanie bezpośrednie Promieniowanie bezpośrednie stanowi składową promieniowania całkowitego, padającego na daną płaszczyznę i definiowane być może jako promieniowanie docierające z małego kąta bryłowego, wychodzącego z tarczy słonecznej [21]. W przypadku płaszczyzny horyzontalnej poza promieniowaniem bezpośrednim, występuje także promieniowanie rozproszone, natomiast dla płaszczyzn nachylonych, poza wspomnianymi dwoma, jeszcze promieniowanie odbite (Rys. 2.2) [26]. Wyodrębnienie składowej promieniowania bezpośredniego z promieniowania całkowitego jest istotne z punktu widzenia energetyki słonecznej. Z jednej strony dane te wykorzystuje się bezpośrednio przy projektowaniu systemów solarnych, w szczególności opartych na koncentracji promieni słonecznych, z drugiej - rozdzielenie komponentów promieniowania całkowitego wymagane jest w analizie promieniowania na płaszczyzny o różnym nachyleniu i orientacji [21, 26]. 14

15 Rys Podstawowe składowe promieniowania słonecznego, opracowano na podstawie [28]. W przypadku gdy w danej lokalizacji prowadzone były jedynie pomiary promieniowania całkowitego lub lokalna baza klimatyczna nie zawiera wyodrębnionych składowych promieniowania, konieczne jest zastosowanie modeli empirycznych, pozwalających na oszacowanie udziału składowych w promieniowaniu całkowitym. Standardowym pomiarem aktynometrycznym jest pomiar natężenia promieniowania słonecznego na płaszczyznę horyzontalną. W wielu przypadkach mierzone jest jednak jedynie promieniowanie całkowite. Dla takiej sytuacji opracowane zostały modele empiryczne pozwalające na oszacowanie udziału promieniowania rozproszonego w całkowitym na płaszczyznę horyzontalną, a w związku z tym i promieniowania bezpośredniego, zgodnie z równaniem [26]: I = I + I (2.6) c b gdzie: I c natężenie promieniowania całkowitego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ], I b natężenie promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ], I d natężenie promieniowania rozproszonego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ]. Następnie dokonać można przeliczenia uzyskanych wartości składowych promieniowania słonecznego na płaszczyznę o dowolnym kącie nachylenia i orientacji względem stron świata. Wspomniane modele bazują najczęściej na współczynniku jasności k T, który wyrażony jest poprzez stosunek całkowitego promieniowania słonecznego na płaszczyznę horyzontalną I c, do promieniowania okołoziemskiego I 0 na granicy atmosfery ziemskiej wzór (2.7) [26]. Do wyznaczenia współczynnika jasności wykorzystuje się pomiary rzeczywiste. d 15

16 I k T = (2.7) I 0 Modele empiryczne pozwalające na określenie udziału promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym, budowane były w oparciu o dane pomiarowe, mają więc one silnie lokalny charakter. Należy o tym pamiętać przy analizie słonecznych systemów energetycznych projektant powinien dysponować bazą danych przygotowaną z krokiem czasowym równym jednej godzinie [36]. Z dostępnych w literaturze modeli, przygotowanych przez badaczy z różnych części świata, najbardziej uznane są modele Orgilla i Hollandsa [100], Hollandsa [56], Erbsa [30], Hollandsa i Crha [55], CLIMED2 [25], Skartveita i Olsetha [118] oraz Maxwella [85]. Ich przydatność w danej lokalizacji potwierdzają badania zagraniczne [94] a także prowadzone przez naukowców polskich. W swej pracy Włodarczyk [137] przedstawił wyniki badań jakie prowadzili z Nowakiem dla danych aktynometrycznych Wrocławia i Legnicy. Z ich badań wynika, że dla lokalizacji Wrocławia najlepsze efekty uzyskał model CLIMED2, natomiast dla Legnicy model Orgilla i Hollandsa. Wnioski powyższych badaczy wskazują, że w analizach słonecznych systemów energetycznych stosowane być powinny w miarę możliwości lokalne modele obliczeniowe. W związku z tym Włodarczyk [137] opracował model promieniowania rozproszonego na płaszczyznę horyzontalną dla lokalnych warunków klimatycznych Dolnego Śląska: I f = d = 1,0000 0,0786 kt dla k T 0,23 I 2 f = 0, ,2602 k T 20,3920 k T dla 0,23 < k T 0, ,1270 k 3 4 T 8,6141 k T f = 0,1792 dla k T > 0,77 (2.8) Stosując ten model można określić udział promieniowania rozproszonego I d w całkowitym I, a następnie, zgodnie ze wzorem (2.6), wyznaczyć wartość promieniowania bezpośredniego I b na płaszczyznę horyzontalną. Obliczenie wartości promieniowania bezpośredniego dla płaszczyzn nachylonych, polega na wykorzystaniu danych promieniowania na płaszczyznę horyzontalną i zastosowaniu wskaźnika geometrycznego. Pozwala on na przeliczenie wartości dla płaszczyzny horyzontalnej na płaszczyznę nachyloną pod dowolnym kątem β do poziomu. Można w tym przypadku zastosować równanie [26]: 16

17 I = I r b, β b b (2.9) gdzie: I b,β natężenie promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę nachyloną [W/m 2 ], I b natężenie promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ], r b wskaźnik geometryczny. Wskaźnik geometryczny r b wyraża stosunek natężenia promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę nachyloną do promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę horyzontalną. Wyznaczyć go można ze wzoru (2.10), stosując oznaczenia jak we wzorze (2.2) i (2.4). r b cosθ = (2.10) cosθ z Promieniowanie rozproszone Promieniowanie rozproszone przez atmosferę ziemską, obok promieniowania bezpośredniego, stanowi składową promieniowania całkowitego na płaszczyznę horyzontalną, a jego udział wyznaczyć można według modeli empirycznych, których przykład przedstawiono w punkcie pracy. O ile pomiar promieniowania słonecznego na płaszczyznę horyzontalną należy do podstawowych pomiarów aktynometrycznych i niejednokrotnie dostępne są dane szczegółowe dla jego składowych wymienionych wyżej, tak w przypadku płaszczyzn nachylonych takie pomiary nie należą do standardowych. W takiej sytuacji istnieje możliwość zastosowania modeli matematycznych, pozwalających na przeliczenie promieniowania rozproszonego z płaszczyzny horyzontalnej na płaszczyznę nachyloną. Ta składowa promieniowania jest w powszechnej opinii najtrudniejsza do modelowania matematycznego, co widać na podstawie analizy literatury. Na przestrzeni lat zmieniało się podejście badaczy do tego zagadnienia, poczynając od modelu izotropowego Liu i Jordana [78], poprzez modele pseudoizotropowe [64, 69], a na modelach anizotropowych kończąc. Pojawiające się kolejne wersje modeli anizotropowych mają na celu zminimalizowanie błędów modelu izotropowego Liu i Jordana, które pojawiały się przy różnorodnym zachmurzeniu nieboskłonu. W modelach anizotropowych uwzględnia się poza promieniowaniem rozproszonym nieboskłonu dwie dodatkowe składowe o charakterze dyfuzyjnym: rozproszone promieniowanie rejonu okołosłonecznego oraz promieniowanie rozproszone horyzontu obie składowe bardzo istotne przy bezchmurnej 17

18 pogodzie [51]. Model Liu i Jordana jest stosowany powszechnie w obliczeniach inżynierskich z uwagi na swą prostotę [78]: 1 I d, β = I d ( 1+ cos β ) (2.11) 2 W powyższym równaniu wykorzystuje się jedynie wartości promieniowania rozproszonego na płaszczyznę horyzontalną I d oraz wartość cosinusa kąta nachylenia rozważanej płaszczyzny β. Trzeba jednak zwrócić uwagę na możliwość popełnienia znacznego błędu przy dynamicznie zmieniającym się zachmurzeniu, co występuje często w rzeczywistości. Spośród licznych modeli anizotropowych dostępnych w literaturze [40, 48, 58, 105, 113, 119, 128], za najbardziej popularne uznaje się trzy spośród nich [51]: Hay-Davies a [48], Reindla [113] i Pereza [105]. W swej pracy Włodarczyk i Nowak [138] wykazali, że dla lokalnych danych klimatycznych Dolnego Śląska, model Pereza uzyskuje bardzo dobre wartości wskaźników statystycznych. Model Pereza [105] jest często wykorzystywany w analizie promieniowania rozproszonego na płaszczyznę nachyloną. Uwzględnia - jak inne modele anizotropowe - obszar okołosłonecznego promieniowania rozproszonego, obszar promieniowania rozproszonego nad linią horyzontu i obszar promieniowania rozproszonego nieboskłonu. Natężenie promieniowania rozproszonego na daną płaszczyznę o kącie nachylenia β wyznacza się ze wzoru: ( ) ( 1+ cos β ) ap 1 F1 + F1 + 2 sin I d, β = I d F β (2.12) 2 bp gdzie: F 1 współczynnik jasności nieboskłonu dla obszaru okołosłonecznego, F 2 współczynnik jasności nieboskłonu dla obszaru nad linią horyzontu, a P, b P współczynniki korekcyjne kąta padania promieniowania rozproszonego z tarczy okołosłonecznej na rozważaną płaszczyznę. Pozostałe elementy równania jak we wzorach (2.1) i (2.11). Współczynniki korekcyjne a P i b P wyznacza się jako wartości maksymalne z poniższych przedziałów, wykorzystując cosinusy kątów określonych równaniami (2.2) i (2.4): bp a P = max[ 0, cosθ ] o [,cosθ ] = max cos85 (2.14) z 18

19 Natomiast współczynniki jasności nieboskłonu F 1 i F 2 opisane zostały na podstawie kąta zenitalnego θ z, czystości atmosfery ε i jasności nieboskłonu. Czystość atmosfery opisana została równaniem: I d + I b, n , θ z I d ε = (2.15) , θ gdzie: I b,n natężenie promieniowania bezpośredniego normalnego na płaszczyznę [W/m 2 ]. Jasność nieboskłonu wyrażona została wzorem: 3 z m I d Δ = (2.16) I 0, n gdzie: I 0,n natężenie promieniowania okołoziemskiego normalnego na płaszczyznę [W/m 2 ], m droga optyczna promieni słonecznych, obliczana ze wzoru (2.17). 1 m = (2.17) cosθ z Współczynniki jasności nieboskłonu F 1 i F 2 wykorzystują odpowiednie współczynniki F ii modelu Pereza przedstawione w załączniku 2.1. i obliczane są na podstawie równań: F 1 πθ = max 0, F11 + F Δ + z 12 F (2.18) F F F πθ z 2 = Δ F (2.19) Procedura wyznaczenia promieniowania rozproszonego na płaszczyznę nachyloną za pomocą modeli anizotropowych jest żmudna i pracochłonna. Autor pracy nie natrafił na oprogramowanie pozwalające w sposób prosty i kompleksowy przeliczać promieniowanie rozproszone z płaszczyzny horyzontalnej na nachyloną, a tylko na kalkulatory pomagające wyznaczyć pewne składowe modelu jak MIDC SOLPOS Calculator [159]. Niemniej wykorzystanie modeli anizotropowych, jak model Pereza, pozwala na uzyskanie danych charakteryzujących się dużą zgodnością z wartościami pomiarowymi, co wykazano w opracowaniach krajowych [138] i zagranicznych [92, 101]. 19

20 Promieniowanie odbite Promieniowanie odbite od powierzchni Ziemi obok promieniowania bezpośredniego i rozproszonego, stanowi ostatnią składową promieniowania całkowitego, padającego na powierzchnię nachyloną. Promieniowanie odbite z reguły nie ma znaczącego udziału w promieniowaniu całkowitym. Jednakże w przypadku niektórych szerokości geograficznych północnych, w związku z niską wysokością słońca na nieboskłonie - ma znaczenie, gdy okresowo występuje pokrywa śnieżna o dużej refleksyjności [91]. Promieniowanie odbite jest ściśle powiązane z wartościami albedo powierzchni, na jaką pada promieniowanie słoneczne. Samo pojęcie albeda jest w literaturze często równoznaczne z reflektancją (współczynnikiem odbicia światła [75, 150]), co w swej pracy już pod koniec lat 50-tych wskazał Monteith [89]. Przy oszacowaniu wartości albedo pojawiają się dwa podstawowe problemy: niepewność w uśrednianiu reflektancji sąsiadujących powierzchni oraz brak odpowiedniego modelu matematycznego, pozwalającego zastąpić pomiary albedometrem [91]. Pierwszy problem dotyczy bardzo dużej zmienności właściwości refleksyjnych powierzchni, na jakie pada promieniowanie słoneczne. Wystarczy tu wskazać, że albedo dla pokrywy śnieżnej waha się w granicach dla śniegu świeżego, natomiast dla starego (mającego więcej niż 3 dni) już tylko [91]. Z tego też wynikają problemy w matematycznym ujęciu dynamiki zmian wartości albedo powierzchni. Wielu badaczy podejmowało próbę określenia wartości albedo najbardziej odpowiadających rzeczywistości [91], w tym także polscy Podogrocki z zespołem opracował średnie miesięczne wartości albedo dla warunków Polski [108]. Wybrane wartości albedo dla charakterystycznych materiałów przedstawiono w Tabeli 2.1. W praktyce inżynierskiej często stosowana jest stała wartość albedo na poziomie 0.2 [91]. Tabela 2.1. Wartości albedo dla wybranych powierzchni [91] Rodzaj powierzchni Wartość albedo Czarna ziemia sucha/wilgotna 0.08/0.14 Piasek zwykły Skała Trawnik Śnieg świeży Śnieg stary Las iglasty/liściasty 0.16/0.18 Opadłe liście 0.30 Beton Bitumiczna

21 Mając na uwadze zmiany lokalnych właściwości refleksyjnych powierzchni, na które pada promieniowanie słoneczne, powstają mapy lub atlasy albedo. Przedstawiają one średnie lub charakterystyczne dla danej lokalizacji wartości reflektancji powierzchni. Przykładem mogą być mapy powstałe dla Kanady [47] czy wybranych terenów Ameryki Północnej [58]. Ponadto dla Wielkiej Brytanii, pod koniec lat 80-tych opracowany został atlas albedo, który zawierał między innymi średnią ilość dni występowania pokrywy śnieżnej na danym terenie w okresie od listopada do kwietnia [90]. Tego typu opracowania znacznie ułatwiają prace projektowe nad solarnymi systemami energetycznymi i pozwalają na ujęcie specyfiki danego obszaru, na którym są projektowane. Jeśli chodzi o matematyczne ujęcie promieniowania odbitego od powierzchni Ziemi I r,β to najczęściej wykorzystywany jest prosty model izotropowy Liu i Jordana [79]: β I = sin 2 r, β ρi c (2.20) 2 gdzie: ρ wartość albedo powierzchni Ziemi, I c natężenie promieniowania całkowitego na płaszczyznę horyzontalną [W/m 2 ], β kąt pochylenia powierzchni względem poziomu. Powstały także modele anizotropowe [40, 128], lecz nie są tak popularne z uwagi na większą złożoność i powszechną opinię o niewielkim udziale promieniowania odbitego w promieniowaniu całkowitym Dostępność promieniowania słonecznego w warunkach klimatu lokalnego Potencjał wykorzystania energii promieniowania słonecznego jest ogromny. Szacuje się, że roczna suma promieniowania słonecznego docierająca do powierzchni Ziemi, pod względem energetycznym jest blisko razy większa od poziomu rocznej światowej konsumpcji energii. Gdyby możliwe było zakumulowanie energii promieniowania słonecznego dostępnego w ciągu jednego roku, to jego ilość byłaby większa od potencjału energetycznego znanych zasobów paliw nieodnawialnych (Rys. 2.3.) [71]. Analizując możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego, kluczowym zagadnieniem jest jego ilość, docierająca do danej powierzchni o dowolnym kształcie, budowie materiałowej, nachyleniu czy usytuowaniu względem stron świata. Okazuje się, że właśnie te wymienione czynniki oraz szereg innych parametrów decyduje o skuteczności pozyskiwania promieniowania słonecznego [21]. 21

22 Rys Porównanie światowej konsumpcji energii z dostępnymi zasobami paliw nieodnawialnych i rocznym potencjałem energetycznym promieniowania słonecznego [71]. Podstawowym czynnikiem, decydującym o dostępności promieniowania słonecznego jest jednak położenie geograficzne analizowanego obiektu i jego usytuowanie względem słońca. Istotne są w tym przypadku, przedstawione we wcześniejszych punktach pracy, pojęcia geometrii sferycznej, umożliwiające analizę ruchu Ziemi względem Słońca. Natężenie promieniowania słonecznego jest bowiem ściśle związane z położeniem geograficznym, głównie z szerokością geograficzną oraz ze wspomnianym ruchem Ziemi wokół Słońca i własnej osi [21]. Wystarczy tu przedstawić mapy rocznych sum całkowitego promieniowania słonecznego na płaszczyznę horyzontalną dla czterech krajów europejskich o różnym usytuowaniu geograficznym: Włochy, Niemcy, Polska i Norwegia [165]. Zauważyć można, że położenie geograficzne (głównie szerokość geograficzna) odgrywa tu kluczową rolę, lecz istotne są także obszary charakterystyczne, jak wysokie pasma górskie, które także cechuje duży potencjał wykorzystania energii słonecznej. W Załączniku 1 zamieszczono mapy przedstawione na rysunku 2.4 w większej skali, co pozwala na dokładne prześledzenie zauważonych prawidłowości. Wymienione czynniki wraz ze stochastycznym charakterem zmian natężenia promieniowania słonecznego powodują, że projektant natrafia na szereg trudności przy analizie efektywności słonecznych systemów energetycznych. Niezbędne są w tym przypadku rzeczywiste dane promieniowania, przygotowane w sposób uporządkowany i zgodny z ogólną metodyką ich opisu [36]. W tym celu przygotowuje się na podstawie długoletnich pomiarów rzeczywistych (reprezentatywny jest tu okres minimum 25-letni), lokalne bazy klimatyczne zawierające tzw. typowy rok meteorologiczny [36] z danymi godzinowymi, który to wykorzystywany jest we wszelkich analizach energetycznych. 22

23 a) b) c) d) Rys Porównanie rocznych sum całkowitego promieniowania słonecznego padającego na płaszczyznę horyzontalną dla: a) Włoch, b) Norwegii, c) Niemiec, d) Polski [165]. Patrz też: Załącznik 1 ww mapy w większej skali. 23

24 Wykorzystanie promieniowania słonecznego w sposób aktywny Systemy wykorzystujące energię promieniowania słonecznego dzieli się na trzy podstawowe grupy [54]: aktywne, pasywne, fotowoltaiczne. Systemy aktywne bazują najczęściej na bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego w energię cieplną w różnego rodzaju kolektorach słonecznych oraz wykorzystują komponenty mechaniczne (jak pompy) do transportu i magazynowania ciepła. Konwersja energii promieniowania słonecznego w energię cieplną następuje najczęściej w kolektorach typu płaskiego oraz parabolicznego-próżniowego (Rys. 2.5.) [54]. Kolektory płaskie są powszechnie wykorzystywane w budynkach mieszkalnych, jak i użyteczności publicznej, do wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej i ogrzewania budynku. W polskich warunkach klimatycznych potrafią zapewnić przeszło 60% rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową [139]. Problemem jest niewielka efektywność w okresie zimowym, gdy energia cieplna jest najbardziej potrzebna. Znacznie mniejsza liczba godzin słonecznych w tym okresie przekłada się bezpośrednio na uzysk energii cieplnej w kolektorach. Tym samym nie znajdują zastosowania w układach ogrzewania budynku [107]. Najczęściej montowane są na połaciach dachowych lub jako elementy wolnostojące, w sytuacji gdy nie ma dostępnej połaci dachowej o odpowiednim kącie nachylenia i orientacji względem stron świata. Kolektory paraboliczne-próżniowe, zwane najczęściej próżniowymi, mają podobny jak kolektory płaskie, zakres aplikacyjności i sposób montażu. Wyróżnia je wyższa sprawność, uzyskana poprzez specyficzną budowę. Składają się z systemu połączonych szklanych rur próżniowych. Na ich wewnętrzną warstwę napylony jest absorber. Wewnątrz poprowadzona jest miedziana rurka, połączona z absorberem za pomocą profili aluminiowych. W rurce znajduje się substancja chemiczna o niskiej temperaturze wrzenia (ok. 25 C np. freon), oddająca ciepło czynnikowi grzewczemu. Ich główną zaletą, w porównaniu do kolektorów płaskich, jest większe wykorzystanie promieniowania rozproszonego, tym samym pracują nawet w pochmurne dni [46]. Mają więc większy potencjał wykorzystania w rejonach o mniejszej ilości godzin słonecznych. Wadą oczywiście jest cena w porównaniu do kolektorów płaskich oraz mniejsza wytrzymałość mechaniczna powłok szklanych, z których 24

25 wykonane są poszczególne elementy kolektora. Jest to istotne z uwagi na pojawiające się coraz częściej gwałtowne zjawiska pogodowe, z gradobiciem włącznie. a) b) c) d) Rys Podstawowe typy kolektorów słonecznych: a) płaski cieczowy, b) cylindryczny próżniowy, c) skupiający, d) heliostat wieża słoneczna [46, 54]. Kolektory paraboliczne skupiające, występują najczęściej w postaci wygiętej parabolicznie płaszczyzny, pokrytej materiałem o wysokiej refleksyjności. Docierające do tej płaszczyzny promienie słoneczne są odbijane i skupiają się na pojedynczej rurze, w której znajduje się czynnik grzewczy [46]. Temperatura czynnika grzewczego osiąga tu znacznie wyższe temperatury, niż w przypadku kolektorów płaskich, co znacząco wpływa na rozwiązania materiałowe. Ponadto ten typ kolektora posiada ruchomą głowicę, pozwalającą na jego ustawienie w zależności od wysokości słońca na nieboskłonie. Poprawia to znacząco sprawność, jednak sprawia trudności z utrzymaniem mechanizmu w należytym stanie technicznym (przykładem może być ryzyko oblodzenia w okresie zimowym). Stosowane są więc częściej w klimacie łagodnym. Najbardziej zaawansowanym systemem są heliostaty (lub wieże słoneczne) [54]. Pozwalają osiągnąć temperatury dużo wyższe niż w pozostałych typach kolektorów. Składają 25

26 się z systemu zwierciadeł otaczających usytuowaną centralnie wieżę słoneczną. Zwierciadła umiejscowione są w sposób maksymalizujący wykorzystanie docierającego promieniowania słonecznego i powodujący skupianie odbitego promieniowania na wieży słonecznej. Wymagają znacznych powierzchni terenu o odpowiedniej topografii i braku elementów zacieniających, jak również dużych nakładów finansowych [54]. Są to wysokosprawne elektrownie słoneczne w przeciwieństwie do pozostałych kolektorów, możliwych do indywidualnych zastosowań. Kolektory słoneczne mogą być montowane w sposób stacjonarny, o stałej orientacji i kącie nachylenia, lub w sposób umożliwiający śledzenie ruchu słońca na nieboskłonie (Rys. 2.6.) [46, 54]. Ten drugi charakteryzuje się oczywiście znacznie wyższą efektywnością, ale jednocześnie jest znacznie droższy pod względem inwestycyjnym, jak i eksploatacyjnym. Mechaniczny system sterujący wymaga bowiem regularnych przeglądów i konserwacji, szczególnie w regionach, na których występują ostre warunki pogodowe w okresie zimowym jak możliwość okresowego oblodzenia [46, 54] Rys Podstawowe sposoby montażu kolektorów słonecznych [54]. 26

27 Wykorzystanie promieniowania słonecznego w sposób pasywny Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w sposób pasywny, bazuje na naturalnych zjawiskach, jak konwekcja swobodna [54, 74, 107]. Znane są przykłady świadomego wykorzystania zysków słonecznych w sposób pasywny już w starożytności słynny dom Sokratesa z ok. 400 roku przed nasza erą [54]. Efektywne wykorzystanie promieniowania słonecznego w sposób pasywny, nie jest możliwe bez spełnienia szeregu wymagań, z których wymienić można [54, 74, 107]: prawidłowe ukształtowanie bryły budynku, odpowiednia powierzchnia przegród przeszklonych, rozwiązania materiałowe przegród zewnętrznych i wewnętrznych, prawidłowa orientacja względem stron świata, prawidłowa orientacja względem róży wiatrów, prawidłowe wykorzystanie topografii terenu i elementów sąsiadujących (jak roślinność), zastosowanie elementów zacieniających. W literaturze występuje podział na trzy podstawowe grupy systemów wykorzystania promieniowania słonecznego w sposób pasywny w budownictwie (Rys. 2.7.) [54, 74, 107]. a) b) c) Rys Wykorzystanie słońca w budownictwie w sposób pasywny: a) system zysków bezpośrednich, b) system zysków pośrednich, c) system zysków pośrednich z przestrzenią buforową [81]. 27

28 System zysków bezpośrednich (Rys. 2.7 a) polega na bezpośrednim wykorzystaniu promieniowania słonecznego wewnątrz pomieszczenia. Promieniowanie dociera przez przegrody przeszklone do wnętrza pomieszczenia, a następnie do masywnych przegród akumulujących. Ciepło zakumulowane w przegrodzie oddawane jest w okresie braku nasłonecznienia i ochłodzenia do wnętrza pomieszczenia. Istotny jest kształt pomieszczenia, umożliwiający maksymalne docieranie promieniowania słonecznego zimą, gdy słońce jest nisko nad nieboskłonem. W lecie nadmiar promieniowania zatrzymywany jest przez daszek zacieniający [54, 74, 81, 107]. W układzie zysków pośrednich wprowadza się przegrodę magazynującą, oddzielającą wnętrze pomieszczenia przed bezpośrednim promieniowaniem słonecznym. Przegroda magazynująca posiada absorber zwiększający akumulację docierającego promieniowania. Od zewnątrz tworzy się często układ mikro szklarni, tworząc przestrzeń powietrzną i zamykając ją elementem transparentnym najczęściej szklanym. Podgrzane w ten sposób powietrze można wykorzystać na potrzeby pomieszczenia, wykorzystując naturalne zjawisko cyrkulacji termosyfonowej [54, 74, 81, 107], opisanej dokładnie dalej. W układzie zysków pośrednich z przestrzenią buforową tworzy się układ szklarniowy dostawiony do pomieszczenia. Oba układy rozdziela przegroda akumulująca. Przestrzeń buforowa ma ograniczyć straty ciepła z wnętrza pomieszczenia w okresie zimowym, a w okresie letnim - zminimalizować przegrzewanie pomieszczenia przez wentylację strefy buforowej [54, 74, 81, 107]. Wykorzystanie promieniowania słonecznego w sposób pasywny występuje w układach bazujących na zjawisku cyrkulacji termosyfonowej. Związane jest ono z pasywną konwekcyjną wymianą ciepła, która jest wynikiem różnicy gęstości pomiędzy ogrzanym gorącym czynnikiem (w części górnej), a czynnikiem zimnym (w części dolnej). W termosyfonowych kolektorach słonecznych obieg czynnika roboczego następuje w sposób naturalny, bez zewnętrznych urządzeń wymuszających w postaci pompy czy wentylatora [5]. W tym przypadku pod pojęciem kolektora rozumie się zarówno urządzenia znane z układów aktywnych (np. kolektor cieczowy), jak i specyficzne rozwiązania przegród budowlanych (np. ściana Trombego). Jednym z najprostszych układów termosyfonowego kolektora słonecznego jest ścienny kolektor powietrzny, w którym powietrze zimne zasysane jest przez dolne otwory wlotowe, podgrzewane w kolektorze i wywiewane przez górne otwory wylotowe (Rys. 2.8.). 28