Solarne budownictwo w Polsce i na Świecie

Transkrypt

1 Magdalena NEMŚ Politechnika Wrocławska Solarne budownictwo w Polsce i na Świecie Aby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię z paliw konwencjonalnych w budynkach użyteczności prywatnej i publicznej coraz częściej stosuje się instalacje solarne do celów grzewczych, ciepłej wody użytkowej lub wytworzenia energii elektrycznej. W artykule dokonano przeglądu spotykanych na świecie rozwiązań instalacji, które wykorzystują słoneczne kolektory cieczowe, powietrzne oraz panele fotowoltaiczne. Zaprezentowano także autorską koncepcję budowy autonomicznego samowystarczalnego energetycznie domu, w którym trójgeneracyjnym źródłem energii byłby powietrzny kolektor skupiający współpracujący z kamiennym złożem akumulacyjnym. Słowa kluczowe: energetyka słoneczna, budownictwo solarne Wstęp W dzisiejszych czasach duży nacisk kładzie się na oszczędność energii elektrycznej i cieplnej, a także na stosowanie nowoczesnych technologii opartych na odnawialnych źródłach pozwalających na zmniejszenie zapotrzebowania na paliwa kopalne. Tendencje te dotykają większość gałęzi gospodarki, w tym także budownictwo z racji coraz powszechniejszej decentralizacji produkcji energii, oraz przepisów promujących energooszczędność. Wymaga to stosowania indywidualnych, przydomowych systemów wykorzystujących jako moc napędową na przykład energię promieniowania słonecznego. Instalacje solarne w budownictwie Do odbierania i konwersji promieniowania słonecznego na ciepło służą kolektory słoneczne. Ze względu na różne rozwiązania konstrukcyjne absorberów, czyli części pochłaniających promieniowanie słoneczne, dzieli je się na płaskie i skupiające (rys.1). Rys.1. Różnice budowy między absorberami kolektora płaskiego i skupiającego. Oprócz innej budowy różnią się one także uzyskiwaną temperaturą przepływającego czynnika. Kolektory płaskie są w stanie podgrzać czynnik roboczy przeciętnie do temperatury 100 C, natomiast koncentratory znacznie powyżej 500 C [1] w zależności od

2 stopnia koncentracji, czyli stosunku powierzchni z której jest zbierane promieniowanie do powierzchni pochłaniającej, i budowy. Wpływa to na sprawność, która wynosi odpowiednio do 30% dla kolektorów płaskich i do 60% dla skupiających. Kolektory skupiające od płaskich odróżnia także fakt, że do działania wykorzystują jedynie składową bezpośrednią promieniowania słonecznego. Zmusza to przeważnie do budowy dodatkowych systemów zmieniających położenie kolektora względem słońca i tym samym zwiększa ich koszty inwestycyjne. Czynnikiem roboczym w kolektorach słonecznych jest najczęściej woda lub powietrze. W zależności od klimatu użytkowania instalacji stosowane są również niezamarzające mieszanki oparte na glikolu lub solankach. Podgrzany powietrze jest używane do ogrzewania pomieszczeń, tak samo jak podgrzane ciecze, które dodatkowo stosuje się do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Innym rozwiązaniem wykorzystującym energię promieniowania słonecznego jest użycie ogniwa fotowoltaicznego. Ogniwa służą do konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Rys.2. Budowa ogniwa fotowoltaicznego [2] Proces ten odbywa się dzięki bardzo cienkiej płytce półprzewodnikowej (rys.2), wewnątrz której powstaje pole elektryczne, w postaci złącza p-n. Padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, tworząc pary nośników o przeciwnych ładunkach. Ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, co sprawia, że w ogniwie pojawia się napięcie [3]. Ogniwa łączy się ze sobą w moduły, a następnie w panele, tak aby uzyskać żądane napięcie. W ostatnich latach pojawiły się także hybrydowe kolektory słoneczne, znane także pod nazwą kolektorów termoelektrycznych. Opierają one swoje działanie na równoczesnej konwersji promieniowania słonecznego w energię cieplną i elektryczną. Część powierzchni absorbera kolektora pokryta jest dodatkowo panelem fotowoltaicznym. Rys.3. Przekrój poprzeczny przez hybrydowy kolektor słoneczny [4]

3 Prowadzone nad nimi badania jako czynnik roboczy wykorzystują zarówno powietrze [5], jak i np. solanki [4]. Przykładowa budowa kolektora termoelektrycznego widoczna jest na powyższym rysunku (rys.3). Przegląd istniejących rozwiązań Do najczęściej spotykanych zarówno na Świecie jak i w Polsce należą instalacje z płaskimi cieczowymi kolektorami słonecznymi. Kolektory są montowane zarówno na nowych jak i istniejących budynkach poddawanych np. termomodernizacji. Umieszczane są przeważnie na dachach i fasadach [6]. Parametry czynnika roboczego na wylocie z kolektorów pozwalają zarówno na przygotowania ciepłej wody użytkowej, jak i podłogowe bądź tradycyjne ogrzewanie pomieszczeń. Gęstość promieniowania słonecznego jest największa w okresie letnim, kiedy to występuje zapotrzebowanie na chłód, dlatego też zaczęto produkować i stosować w budownictwie systemy klimatyzacyjne napędzane ciepłem [6,7]. Jako urządzenia chłodnicze stosowane są najczęściej chłodziarki adsorpcyjne. Aby móc korzystać z ciepła także w nocy lub następnego bezsłonecznego dnia stosowane są systemy akumulacji o różnej budowie. Najprostsze z nich to dobrze zaizolowane zbiorniki [8] z wodą znajdujące się w ogrzewanym budynku. W słonecznym ogrzewaniu osiedli używane są także podziemne zbiorniki wydrążone naturalnie bądź sztucznie w skale, do których jest pompowany podgrzany czynnik [9]. Bardzo rzadko w budownictwie komunalnym używane są skupiające kolektory cieczowe, ze względu na możliwe do uzyskania parametry czynnika roboczego. Autorka pracy spotkała się jednak z przypadkiem polskiej firmy [10], która od lat dziewięćdziesiątych zajmuje się produkcją i montażem cieczowych kolektorów skupiających do przygotowania ciepłej wody użytkowej, ogrzewania pomieszczeń oraz wody w basenie. Fakt wbudowanego w instalację (rys.4) systemu nadążnego pozwala na zaspokojenie w 70% potrzeb gospodarstwa domowego w ciągu roku. Rys.4. Słoneczne kolektory skupiające podgrzewające wodę [10] Kolejnym rozwiązaniem jest stosowanie instalacji z płaskimi kolektorami powietrznymi. Kolektory te mogą być dodatkowo, inaczej niż cieczowe, zintegrowane z dachem o odpowiednim pochyleniu (rys.5).

4 a) b) Rys.5. System ogrzewania domu jednorodzinnego z kolektorem a) płaskim powietrznym, b) zintegrowanym z dachem [11] Podobnie jak płaskie kolektory cieczowe, mogą służyć do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń [12,13,14]. Dobowa akumulacja ciepła prowadzona jest przy wykorzystywaniu złóż kamiennych [15,16] lub złóż z materiałów zmiennofazowych PCM [17]. Dodatkowo złoża kamienne służą do wyrównywania temperatury powietrza kierowanego do pomieszczeń. Używanie wcześniej scharakteryzowanych paneli fotowoltaicznych jako jedynego źródła energii dla budynku nie jest zbyt popularne ze względu na ciągle bardzo wysoką cenę tych instalacji. Coraz częściej wykorzystuje się to rozwiązanie jako dodatkowe do np. opartego na kolektorach słonecznych. Przykładem może być zbudowana we Włoszech szkoła [18] gdzie do ogrzewania i klimatyzacji służą płaskie kolektory powietrzne, natomiast panel fotowoltaiczny pełni rolę instalacji pomocniczej. Koncepcja samowystarczalnego energetycznie domu Autorka pracy w swoich badaniach zajmuje się weryfikacją koncepcji budowy autonomicznego, samowystarczalnego energetycznie domu (rys.6), którego system ogrzewania, klimatyzacji oraz produkcji energii elektrycznej opiera się na współpracy powietrznego kolektora skupiającego z wysokotemperaturowym granitowym złożem akumulacyjnym. Rys.6. Koncepcyjny słoneczny dom [19]

5 Do ogrzewania pomieszczeń w koncepcyjnym domu ma służyć powietrze kierowane bezpośrednio z kolektora lub ze złoża akumulacyjnego. Klimatyzacja w okresie letnim ma być możliwa dzięki zastosowaniu chłodziarki z napędem cieplnym, natomiast produkcja energii elektrycznej będzie odbywać się dzięki generatorowi ORC. Przeprowadzone dotychczas analizy numeryczne [19,20,21] uwzględniające wielkość elementów systemu oraz warunki klimatyczne dla Wrocławia, potwierdzają słuszność budowy koncepcyjnego domu w Polsce. Dokonany przegląd literatury, pozwala określić system nowatorskim, dlatego niezbędnym jest wybudowanie stanowiska badawczego [22] w skali, aby potwierdzić eksperymentalnie możliwości całorocznej pracy układu. Podsumowanie Współczesna troska o środowisko naturalne i wymagania wpływające na użytkowanie energii kształtują trendy w budownictwie, co widać na przykładzie licznie powstających budynków z instalacjami solarnymi. Wśród układów grzewczo-chłodniczych dominują te oparte na płaskich kolektorach słonecznych. W najbliższych latach przewiduje się także rozwój hybrydowych instalacji solarnych produkujących zarówno ciepło jak i energię elektryczną. Biorąc pod uwagę obecne tendencje, zaprezentowana przez autorkę koncepcja samowystarczalnego energetycznie domu z trójgeneracyjną produkcją energii, która przewiduje pracę układu w warunkach klimatycznych Polski, może być odpowiedzią na problemy energetyki rozproszonej. Praca wykonana dzięki stypendium współfinansowanemu przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Bibliografia [1] Pluta Z., Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [2] stan na r. [3] stan na r. [4] Saitoh H., Hamada Y., Kubota H., Nakamura M., Ochifuji K., Yokoyama S., Nagano K., Field experiments and analyses on a hybrid solar collector, Applied Thermal Engineering 23 (2003) [5] Lertsatitthanakorn C., Khasee N., Atthajariyakul S., Soponronnarit S., Therdyothin A., Ryosuke O. Suzuki, Performance analysis of a double-pass thermoelectric solar air collector, Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (2008) [6] Zhai X.Q., Wang R.Z., Dai Y.J., Wu J.Y., Ma Q., Experience on integration of solar thermal technologies with green buildings, Renewable Energy 33 (2008) [7] Zhai X.Q., Wang R.Z., Experiences on solar heating and cooling in China, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) [8] Ucar A., Inalli M., Thermal and economic comparisons of solar heating systems with seasonal storage used in building heating, Renewable Energy 33 (2008) [9] Lundh M., Dalenback J.O., Swedish solar heated residential area with seasonal storage in rock: Initial evaluation, Renewable Energy 33 (2008) [10] stan na r. [11] Nemś M., Słoneczne systemy ogrzewania powietrza-przegląd współczesnych technologii, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, maj 2010 r. (w druku) [12] Zhai X.Q., Dai Y.J., Wang R.Z., Comparison of heating and natural ventilation in a solar house induced by two roof solar collectors, Applied Thermal Engineering 25 (2005) [13] Chandel S.S., Aggarwal R.K., Performance evaluation of a passive solar building in Western Himalayas, Renewable Energy 33 (2008) [14] Nidal H. Abu-Hamdeh, Simulation study of solar air heater, Solar Energy 74 (2003) [15] Joudi K.A., Dhaidan N.S., Application of solar assisted heating and desiccant cooling systems for a domestic bulding, Energy Conversion and Management 42 (2001) [16] Abbud I.A., Lof G.O.G., Hittle D.C., Simulation of solar air heating At constant temperature, Solar Energy, Vol.54, No.2, pp.75-83, 1995

6 [17] Benli H., Durmus A., Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material for new designed solar collectors in greenhouse heating, Solar Energy 83 (2009) [18] Ubertini S., Desideri U., Design of a solar collector for year-round climatization, Renewable Energy 28 (2003) [19] Danielska M., Kasperski J., System ogrzewczy domu jednorodzinnego wykorzystujący energię słoneczną akumulowaną w złożu ceramicznym w cyklu całorocznym : Model matematyczny i wyniki wstępne, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja r., nr 5 [20] Danielska M., Kasperski J., Sezonowa praca systemów klimatyzacji i ogrzewania zasilanych energią słoneczną akumulowaną w złożu ceramicznym, Chłodnictwo i Klimatyzacja r., nr 4 [21] Danielska M., Kasperski J., Wybrane parametry pracy suchego złoża akumulacyjnego w systemie grzewczym budynku na obszarze Dolnego Śląska., Termodynamika w nauce i gospodarce T. 1., Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, [22] Nemś M., Słoneczny kolektor skupiający jako nagrzewnica powietrza do weryfikacji założeń koncepcyjnych domu samowystarczalnego energetycznie, Materiały konferencyjne I Ogólnopolskiej Konferencji Młodych Energetyków, Politechnika Warszawska, kwiecień 2010 (w druku)