41BKOLEKTORY SŁONECZNE dr inż. Adrian Trząski dr inż. Andrzej Wiszniewski 1
69B1. Kolektory słoneczne cieczowe 79B1.1 Zasada działania Cieczowe kolektory słoneczne wykorzystują zjawisko konwersji fototermicznej, polegające na przetworzeniu energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Dzięki temu zjawisku energia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora słonecznego, jest wykorzystywana do podniesienia temperatury przepływającej przez absorber cieczy. W zależności od rodzaju instalacji pozyskane ciepło jest następnie wykorzystywane bezpośrednio lub za pośrednictwem wymiennika ciepła. Ciecz wykorzystywana do transportu ciepła nazywana jest czynnikiem roboczym. Ze względu na charakter występowania zapotrzebowania na ciepło i dostępności promieniowania słonecznego pozyskane ciepło jest zwykle magazynowane za pomocą zasobników ciepła. Kolektory cieczowe używane są obecnie głównie do podgrzewania wody przeznaczonej do celów sanitarnych. Ponadto są one używane do podgrzewania wody w basenach kąpielowych, mogą być również wykorzystywane do wspomagania systemów ogrzewania budynków. Ze względu na charakterystykę dostępności promieniowania słonecznego w większości przypadków kolektory muszą być wspomagane przez inne źródło ciepła jak np. kotły grzewcze lub pompy ciepła. Typowy zakres temperatur pracy kolektorów cieczowych wynosi od 40 do 60 C, choć w niektórych zastosowaniach czynnik roboczy podgrzewany jest do temperatur poniżej 30 C (np. w basenach kąpielowych) lub przekraczających 80 C lub nawet, w przypadku kolektorów skupiających, setek stopni Celsjusza (ciepło technologiczne). 89B1.2 Typy urządzeń, charakterystyczne parametry techniczne (moc zainstalowana, roczna produkcja ciepła) Kolektory cieczowe można podzielić na dwie podstawowe grupy, różniące się między sobą sposobem pozyskiwania energii słonecznej: 1. kolektory płaskie, 2. kolektory skupiające. Kolektory skupiające wykorzystują promieniowanie słoneczne padające na znacznie większą powierzchnię od powierzchni absorbera, co pozwala na uzyskanie znacznie wyższych temperatur w stosunku do klasycznych kolektorów płaskich. Ponieważ w przypadku podgrzewania wody na cele sanitarne, grzewcze lub w basenach kąpielowych wymagana temperatura nie przekracza zwykle 60 C, w zastosowaniach tych najczęściej wykorzystuje się kolektory płaskie. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż termin płaskie odnosi się do kształtu absorbera, a nie do obudowy kolektora słonecznego. Kolektory płaskie, w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych, mających na celu ograniczenie strat ciepła podczas ich eksploatacji można podzielić na: 1. kolektory odkryte, 2. kolektory zakryte, 3. kolektory próżniowe. Kolektory odkryte mają najprostszą konstrukcję, w której brakuje jakiejkolwiek izolacji termicznej absorbera, co sprawia że mają zastosowanie praktycznie jedynie w przypadku 2
podgrzewania wody do niewielkich temperatur (rzędu 30-40 C) i eksploatowanych w korzystnych warunkach atmosferycznych (wysoka temperatura powietrza zewnętrznego). Kolektory zakryte, wykorzystują przykrycie przeźroczyste, oraz boczną i spodnią izolację termiczną ograniczające straty ciepła do otoczenia, dzięki czemu możliwa jest eksploatacja kolektora w mniej korzystnych warunkach atmosferycznych i uzyskanie temperatury wody powyżej 40 C. Kolektory próżniowe wykorzystują jako izolację termiczną wysoką próżnię utrzymywaną najczęściej wewnątrz rur szklanych, dlatego też nazywane są często kolektorami rurowymi. Wykorzystanie próżni pozwala na jeszcze skuteczniejsze ograniczenie strat ciepła, pozwalając na eksploatację kolektora nawet przy bardzo niekorzystnych warunkach atmosferycznych. Najważniejszą cechą charakteryzującą kolektor słoneczny jest sprawność decydująca o jego mocy w danych warunkach pracy, a co za tym idzie, ilości energii, jaką możemy za jego pośrednictwem uzyskać. Sprawność kolektora cieczowego zależy od warunków jego eksploatacji (natężenia promieniowania słonecznego oraz różnicy temperatury kolektora i otoczenia) i jest określana na podstawie następujących parametrów: 1. sprawność optyczna jest to najwyższa sprawność danego kolektora wynikająca z jego konstrukcji określana współczynnikiem η 0, 2. współczynniki strat k 1 i k 2 charakteryzujące wielkość strat wynikających z różnicy temperatury kolektora i otoczenia. Aby ujednolicić metodą obliczeniową i umożliwić porównywanie różnych kolektorów przyjęto, że sprawność optyczna i współczynniki strat wyznacza się w stosunku do powierzchni apertury (czynnej) kolektora. Powierzchnia ta jest wyznaczana w ściśle określony sposób zarówno dla kolektorów płaskich jak i próżniowych. Tabela 1 Podstawowe parametry płaskich kolektorów cieczowych Parametr Jednostka Typ kolektora odkryte zakryte próżniowe η 0-0,7-0,9 0,7-0,8 0,75-0,85 k 1 W/(m 2 K) 12-25 3,5-6 1,3-2 k 2 W/(m 2 K 2 ) - 0,01-0,02 0,005-0,01 Możliwe do osiągnięcia za pośrednictwem kolektorów cieczowych zyski energetyczne zależą w głównej mierze od powierzchni absorbera zainstalowanych kolektorów słonecznych. Poniższa tabela przedstawia wpływ wielkości powierzchni absorbera na wydajności instalacji solarnej. 3
Tabela 2 Porównanie wydajności systemów wykorzystujących zakryte i próżniowe kolektory słoneczne stopień pokrycia zapotrzebowania Jednostka % Rodzaj kolektora Powierzchnia kolektorów /zapotrzebowanie dobowe m 2 /(100dm 3 /d) 1 2 3 4 5 płaski 27% 46% 58% 64% 67% próżniowy 31% 53% 67% 73% 76% uzysk jednostkowy kwh/m 2 płaski 549 459 388 320 268 próżniowy 617 533 447 367 307 sprawność konwersji % płaski 54% 45% 38% 31% 26% próżniowy 60% 52% 44% 36% 30% Poza powierzchnią kolektora na jego wydajność wpływają również inne parametry takie jak: orientacja, pożądana temperatura wody, objętość zasobnika ciepła. Zasobnik solarny powinien pozwolić na zmagazynowanie ilości ciepła odpowiadającej co najmniej dobowemu zapotrzebowaniu na ciepłą wodę użytkową, dalsze zwiększanie jego pojemności wpływa w niewielkim stopniu na wydajność instalacji solarnej (patrz poniższe tabele). W praktyce stosuje się zwykle zasobniki pozwalające na zmagazynowanie ciepłej wody w ilości od 1,5 do 2-krotnego dziennego zapotrzebowania. Tabela 3 Wpływ powierzchni kolektora słonecznego i pojemności zasobnika na wydajność kolektor zakryty Pojemność zasobnika/ Powierzchnia/zapotrzebowanie dobowe zapotrzebowanie dobowe m 2 /(dm 3 /d) dm 3 /(dm 3 /d) 1 1,5 2 2,5 3 1 0,58 0,80 0,97 1,11 1,23 1,25 0,59 0,81 0,99 1,13 1,25 1,5 0,60 0,82 1,00 1,15 1,27 1,75 0,60 0,83 1,01 1,16 1,28 2 0,61 0,83 1,02 1,17 1,30 Tabela 4 Wpływ powierzchni kolektora słonecznego i pojemności zasobnika na wydajność kolektor próżniowy Pojemność zasobnika/ zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia/zapotrzebowanie dobowe m 2 /(dm 3 /d) 1 1,5 2 2,5 3 1 0,57 0,8 0,99 1,14 1,24 1,25 0,58 0,8 0,99 1,15 1,25 1,5 0,58 0,81 1,00 1,16 1,26 1,75 0,58 0,81 1,00 1,17 1,26 2 0,58 0,81 1,01 1,17 1,27 W przypadku eksploatacji całorocznej największe zyski energetyczne można osiągnąć dla kolektora zorientowanego w kierunku południowym nachylonym do powierzchni gruntu pod kątem 30 45 o (patrz poniższe tabele). Większe nachylenie kolektora pozwala na zwiększenie uzysku energii w zimie, kosztem ograniczenia wydajności instalacji solarnej 4
w lecie. W przypadku instalacji eksploatowanych sezonowo (np. jedynie w lecie) korzystniejsze może być pochylenie kolektora pod kątem mniejszym od 30 o. Tabela 5 Wpływ orientacji i pochylenia kolektora słonecznego na jego wydajność kolektor zakryty Pochylenie Orientacja o S SW, SE E, W NW, NE N 0 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 15 0,97 0,95 0,89 0,83 0,80 30 1,01 0,98 0,88 0,75 0,68 45 1,00 0,97 0,85 0,67 0,56 60 0,95 0,92 0,80 0,6 0,46 75 0,85 0,83 0,73 0,53 0,39 90 0,71 0,71 0,63 0,46 0,33 Tabela 6 Wpływ orientacji i pochylenia kolektora słonecznego na jego wydajność kolektor próżniowy Pochylenie Orientacja o S SW, SE E, W NW, NE N 0 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 15 0,97 0,95 0,89 0,83 0,80 30 1,00 0,97 0,88 0,75 0,69 45 1,00 0,97 0,86 0,68 0,59 60 0,96 0,93 0,81 0,62 0,50 75 0,87 0,85 0,75 0,56 0,44 90 0,75 0,75 0,66 0,49 0,38 Pożądana wartość temperatury wody użytkowej wpływa na wielkość strat z kolektora słonecznego w wyniku wymiany ciepła absorbera z otoczeniem. Ograniczenie temperatury podgrzewanej wody pozwala na podniesienie wydajności systemu solarnego (patrz poniższa tabela). W przypadku kolektorów próżniowych, ze względu na ich lepszą izolacyjność termiczną wpływ tej jest znacznie mniejszy, co pozwala na uzyskanie wody o wyższej temperaturze. Tabela 7 Wpływ pożądanej temperatury wody użytkowej na wydajność kolektora Rodzaj Temperatura cwu [ C] kolektora 40 45 50 55 60 65 70 75 zakryty 1,08 1,05 1,03 1 0,98 0,95 0,93 0,9 próżniowy 1,03 1,02 1,01 1 0,99 0,98 0,96 0,95 W przypadku wykorzystania kolektorów cieczowych do przygotowania wody basenowej, możliwe jest pozyskanie większych ilości energii niż w przypadku przygotowania c.w.u. ze względu na znacznie niższą wymaganą temperaturę wody (rzędu 30 o C) oraz dużą pojemność cieplną basenu pływackiego. 5
Tabela 8 Jednostkowy uzysk ciepła z kolektorów słonecznych przy podgrzewie wody basenowej Rodzaj kolektora Jednostkowy uzysk Temperatura wody basenowej [ C] 26 27 28 29 30 31 32 33 płaski kwh/m 2 631 622 613 604 595 586 578 569 próżniowy kwh/m 2 687 683 678 673 668 663 658 653 W zależności od przeznaczenia instalacji, zmienia się charakter zapotrzebowania na ciepło dlatego też wielkość powierzchni czynnej (apertury) kolektorów słonecznych, powinna być określana na podstawie obliczeń energetycznych wykonywanych dla konkretnych przypadków. Orientacyjne powierzchnie apertury dla typowych obiektów przedstawiono w poniższej tabeli. Tabela 9 Typowe wielkości powierzchni apertury dla przykładowych instalacji solarnych Wymagana powierzchnia apertury Przeznaczenie Jednostka kolektor zakryty kolektor próżniowy przygotowanie c.w.u. (55%) dom jednorodzinny m 2 /os. 1,2-1,5 1,0-1,2 przygotowanie c.w.u. (55%) dom wielorodzinny m 2 /os. 0,9-1,2 0,7-0,9 przygotowanie c.w.u. (55%) biuro m 2 /os. 0,2-0,3 0,2-0,25 pływalnia kryta (t w = 24 o C) z przykryciem ( = 12h) 1) pływalnia kryta (t w = 24 o C) bez przykrycia ( = 12h) 1) pływalnia otwarta (t w = 22 o C) z przykryciem ( = 12h) 1) pływalnia otwarta (t w = 22 o C) bez przykrycia ( = 12h) 1) m 2 /m 2 pow. niecki m 2 /m 2 pow. niecki m 2 /m 2 pow. niecki m 2 /m 2 pow. niecki 0,4 0,3 0,5 0,4 0,7 0,5 0,9 0,7 9B1.3 Systemy i ich schematy technologiczne, wykaz urządzeń i instalacji pomocniczych 01B1.3.1. Ciepła woda użytkowa Najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem kolektorów cieczowych jest przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Podstawowe elementy solarnego systemu przygotowania wody użytkowej mogą być skonfigurowane na szereg różnych sposobów. Poniższy rysunek przedstawia przykład układu z wymuszonym obiegiem czynnika roboczego wykorzystującym dodatkową grzałkę elektryczną. W układzie tym obieg czynnika roboczego wymuszony jest za pomocą pompy cyrkulacyjnej, a dodatkowa energia niezbędna do zaspokojenia zapotrzebowania na ciepło, dostarczana jest za pośrednictwem grzałki elektrycznej. Ze względu na możliwość zamarzania czynnika w okresie ujemnych temperatur, niezbędne jest wykorzystanie czynnika niezamarzającego (roztworu glikolu), w obiegu wydzielonym za pomocą wymiennika ciepła (np. wężownicy umieszczonej w zasobniku ciepła). 6
Rysunek 1 Układ z wymuszonym obiegiem czynnika roboczego z zasobnikiem ciepła wyposażonym w dodatkową grzałkę elektryczną: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepła z podgrzewaczem solarnym, (5) grzałka elektryczna. Wykorzystanie energii elektrycznej nie jest efektywne ekonomicznie, z tego powodu w większości przypadków jako dodatkowe źródło ciepła wykorzystuje się kocioł gazowy/olejowy/węglowy lub sieć ciepłowniczą. Przykładowy schemat przedstawiający system wykorzystujący kocioł przedstawiono na poniższym schemacie. Rysunek 2 System solarnego przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący kocioł gazowy: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepłej wody z podgrzewaczem solarnym i wężownicą kotła, (5) grzałka elektryczna, (6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku. 7
Wykorzystanie biwalentnego zasobnika ciepłej wody pozwala na redukcję kosztów inwestycyjnych, oraz wymaganej przestrzeni w przypadku nowych instalacji. W przypadku instalacji modernizowanych często wykorzystuje się istniejący zasobnik ciepłej wody oraz dodatkowy wymiennik ciepła lub zasobnik ciepła. Rysunek 3 Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący solarny wymiennik ciepła: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) wymiennik ciepła, (5) zasobnik ciepłej wody z wężownicą dodatkowego źródła ciepła, (6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku. Rysunek 4 Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący solarny wymiennik ciepła: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) solarny zasobnik ciepła, (5) zasobnik ciepłej wody z wężownicą dodatkowego źródła ciepła, (6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku. 8
101B1.3.2 Podgrzewanie wody basenowej Innym zastosowaniem dla cieczowych kolektorów słonecznych jest podgrzewanie wody w basenach kąpielowych. Poniższy rysunek przedstawia prosty system solarnego przygotowania wody basenowej, w którym woda podgrzewana jest za pośrednictwem wymiennika ciepła. Rysunek 5 System podgrzewania wody basenowej: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) wymiennik ciepła, (5) basen kąpielowy. Ponieważ energia słoneczna może być często niewystarczająca do zapewnienia odpowiedniej temperatury wody w basenie, wymagane jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła. Poniższy rysunek przedstawia przykładową instalację wykorzystującą jako dodatkowe źródło ciepła kocioł, oraz wykorzystującą kolektory słoneczne do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Rysunek 6 System przygotowania wody basenowej oraz użytkowej wykorzystujący kocioł: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepłej wody, (5) kocioł, (6) regulator kotła, (7) instalacja grzewcza budynku, (8, 9) basenowy wymiennik ciepła, (10) basen kąpielowy. 9
201B1.4. Koszty inwestycyjne Tabela 10 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych zakrytych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN 1 1-2 90 1,8 8 265 2 2-3 170 3,6 10 854 3 4-5 250 5,5 14 071 4 5-7 340 7,4 17 460 5 6-8 430 9,2 20 749 6 8-11 550 11,8 25 575 7 10-14 630 13,2 28 196 8 14-18 800 15,8 33 094 Tabela 11 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych próżniowych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN 1 1-2 90 1,8 9 220 2 2-3 170 3,6 12 765 3 4-5 250 5,5 16 990 4 5-7 340 7,4 21 388 5 6-8 430 9,2 25 632 6 8-11 550 11,8 31 837 7 10-14 630 13,2 35 202 8 14-18 800 15,8 41 479 301B1.5. Producenci i dostawcy na rynku krajowym Na rynku krajowym można znaleźć produkty takich firm jak: Hewalex, Viessmann, Polska Ekologia, Paradigma, EcoJura sp. z o.o. 401B2. Kolektory słoneczne powietrzne 501B2.1 Zasada działania Powietrzne kolektory słoneczne wykorzystują zjawisko konwersji fototermicznej, polegające na przetworzeniu energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Dzięki temu zjawisku energia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora słonecznego, jest wykorzystywana do podniesienia temperatury przepływającego powietrza. W instalacjach tego typu nie wykorzystuje się magazynowania ciepła i pozyskiwane ciepło jest wykorzystywane na bieżąco. Kolektory powietrzne używane są obecnie głównie do suszenia płodów rolnych oraz do ogrzewania szklarni, budynków szklonych, budynków mieszkalnych, hal, magazynów. W porównaniu z kolektorami cieczowymi kolektory powietrzne mają szereg zalet: przede wszystkim są od nich tańsze, a ponadto nie występują w nich problemy wynikające z korozji części metalowych oraz z wrzenia lub zamarzania czynnika roboczego. Wadami kolektorów powietrznych są natomiast: hałas wytwarzany przez wentylatory oraz niższa sprawność spowodowana małą wartością współczynnika przejmowania ciepła powietrza, co powoduje 10
wyższą temperaturę absorbera i większe straty ciepła w porównaniu ze stratami z kolektorów cieczowych. Kolektory powietrzne produkowane mogą być zarówno jako kolektory płaskie, w których zastosowano szereg rozwiązań intensyfikujących wymianę ciepła, jak i jako tanie kolektory foliowe, możliwe do wykonania sposobem gospodarczym. Ponadto energia promieniowania słonecznego może być wykorzystana do ogrzewania budynków przy zastosowaniu całego szeregu biernych i hybrydowych instalacji grzewczych. Wykorzystanie energii słonecznej nie daje możliwości całkowitego opłacalnego pokrycia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania, w związku z czym instalacje biernego ogrzewania muszą być wspomagane przez konwencjonalne instalacje grzewcze o małej bezwładności cieplnej. Spośród biernych instalacji grzewczych największe znaczenie praktyczne mają następujące: 1. kolektor (ściana) Trombe a wykorzystuje fakt, że dzienna suma bezpośredniego promieniowania słonecznego na płaszczyźnie pionowej zwróconej w kierunku południowym osiąga maksimum wiosną i jesienią, zimą zachowuje znaczną wartość i maleje do minimum latem. Zasada działania ściany Tromble a polega na absorbowaniu promieniowania słonecznego na zewnętrznej powierzchni ściany magazynującej ciepło i podgrzewaniu powietrza znajdującego się w szczelinie wentylacyjnej, 2. przestrzeń oszklona (zintegrowana szklarnia) zasada działania polega na wykorzystywaniu ciepła przewodzonego przez ścianę i podgrzewaniu powietrza w przestrzeni oszklonej, 3. system zysków bezpośrednich polega na wykorzystaniu do ogrzewania promieniowania słonecznego padającego do wnętrza budynku przez okna. Ze względu na charakterystykę dostępności promieniowania słonecznego oraz brak możliwości magazynowania pozyskanego ciepła w większości przypadków kolektory muszą być wspomagane przez inne źródło ciepła jak np. kotły grzewcze lub pompy ciepła. 601B2.2 Typy urządzeń, charakterystyczne parametry techniczne (moc zainstalowana, roczna produkcja ciepła) Kolektory składają się z: absorbera, przykrycia przeźroczystego (może nie występować w niektórych rozwiązaniach), obudowy i ewentualnie izolacji cieplnej. Najważniejszym elementem kolektora jest absorber. Absorber pochłania padające promieniowanie słoneczne i zamienia na energię cieplną, którą następnie przekazuje przepływającemu czynnikowi, ogrzewając go. Absorbery wykonuje się przeważnie z metalu. Spotykane są również absorbery wykonane z tworzyw, jak PP czy EPDM, albo też połączeń tworzyw z innymi materiałami. W celu powiększenia kontaktu cieplnego absorbera z przepływającym powietrzem stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne zwiększające powierzchnię absorbera. Najprostsze absorbery mają powierzchnię w postaci falowanej lub trapezoidalnej. Kolektory bardziej wydajne zbudowane są z szeregu równoległych kanałów. W ten sposób zwiększona powierzchnia wpływa również na zwiększoną turbulencję przepływającego powietrza, która z kolei poprawia współczynnik przenoszenia ciepła. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie wypełnienia przestrzeni między absorberem, a obudową materiałem porowatym, tzw. kolektor z rozwiniętym absorberem. Materiałem wypełniającym mogą być metalowe wióry pomalowane na czarno matowe. Sprawność tak rozwiniętego absorbera może być nawet dwukrotnie większa niż kolektora płaskiego. Absorber tego typu charakteryzuje się znacznie większymi oporami przepływu powietrza. 11
Zupełnie inną koncepcją działania charakteryzuje się kolejna konstrukcja absorbera tzw. absorber perforowany. Posiada on na swej powierzchni dużą liczbę niewielkich dziurek, przez które zasysane jest powietrze. Takie rozwiązanie zapewnia dobry kontakt powietrza z absorberem oraz podnosi jego sprawność. Kolejnym elementem kolektora jest obudowa, która pełni funkcję nośną, oraz zapewnia szczelność kolektora przed stratami ciepła i dostępem wilgoci. Obudowy wykonuje się z metalu, drewna, tworzyw sztucznych. Najbardziej popularne są obudowy wykonane z metalu, choć pojawiają się też z plastiku. Izolacja termiczna wykonana jest najczęściej z wełny mineralnej bądź szklanej, ale również styropianu. W celu zmniejszenia strat energii przez konwekcję ciepła z powierzchni absorbera stosuje się przykrycia przeźroczyste. Przykrycie chroni absorber przed działaniem deszczu, wiatru, kurzu, jak też mechanicznych obciążeń. Do tego celu nadaje się szkło i tworzywo sztuczne. a) b) Rysunek 7 Przykładowa konstrukcje kolektorów powietrznych a) ze ścianą perforowaną, b) o konstrukcji żeberkowej Rysunek 8 Zasada wykorzystania powietrznego kolektora słonecznego do ogrzewania pomieszczeń Kolektory powietrzne mogą współpracować z instalacją wentylacyjną budynku, lub stanowić urządzenia działające autonomicznie, wyposażone są wówczas w wentylator zapewniający obieg powietrza a czasem również w autonomiczny system zasilania opierający się na ogniwach PV. Wydajność kolektorów powietrznych zależy od ilości promieniowania słonecznego dostępnego w sezonie grzewczym dla danej orientacji. 12
Tabela 12 Wartość sezonowego napromieniowania na płaszczyznę poziomą oraz pionową na daną orientację dla Warszawy Orientacja Napromieniowanie kwh/m 2 SR 0 353 SR N 90 151 SR NE 90 185 SR E 90 270 SR SE 90 346 SR S 90 378 SR SW 90 346 SR W 90 270 SR NW 90 185 Kolektory komercyjne dostępne na rynku wykonane są z różnych materiałów i charakteryzują się odmienną zasadą działania. Możliwe do osiągnięcia przyrosty temperatury powietrza, oraz osiągane sprawności zależą głównie od prędkości przepływu powietrza odniesionej do powierzchni absorbera. Przyrosty temperatur powietrza, szczególnie dla małych natężeń przepływu powietrza, osiągają nawet powyżej 30 C (dla 25 m 3 /h), dla natężeń przepływu ok. 100 m 3 /h przyrosty rzędu 15 C (na 1 m 2 kolektora). Sprawność kolektorów słonecznych dostępnych na rynku zmienia się w szerokim zakresie od ok. 25% do 50% - dla małych natężeń przepływu, aż do blisko 70% dla ok. 100 m 3 /m 2 h. Przykładowo dla kolektora o współczynniku absorpcji promieniowania równym 85%, w zależności od natężenia przepływu powietrza, dla orientacji południowej, można osiągnąć następujące wydajności: 25 m 3 /m 2 h 25% - 94,5 kwh/m 2, 60 m 3 /m 2 h 50% - 189 kwh/m 2, 100 m 3 /m 2 h 70% - 242,2 kwh/m 2. 701B2.3 Koszty inwestycyjne Koszty inwestycyjne zmieniają się w bardzo szerokim zakresie w zależności od zastosowanej technologii, urządzeń dodatkowych (takich jak wentylatory, systemy PV, przewody rozprowadzające) oraz wielkości instalacji. Przykładową zależność jednostkowych kosztów inwestycyjnych w zależności od wielkości instalacji przedstawiono na wykresie. 3000 2500 2000 PLN/m 2 1500 1000 500 0 0 50 100 150 200 Rysunek 9 Przykładowa zależność jednostkowych kosztów inwestycyjnych w zależności od powierzchni kolektorów powietrznych [m 2 ] 13
801B2.4 Producenci i dostawcy na rynku krajowym Na rynku polskim można znaleźć następujących producentów i dostawców: 1. producenci krajowi: EcoJura, Masa Therm Polska, 2. producenci zagraniczni: SolarVenti, SolarWall, 3. dystrybutorzy: Ekonomiczne Systemy Grzewcze, Trend-EKO. 901B3. Opłacalność stosowania instalacji zasilanych cieczowymi kolektorami słonecznymi 3.1 Wstęp Cieczowe kolektory słoneczne to elementy instalacji pośredniczące w zamianie energii słonecznej w cieplną, wykorzystywaną na potrzeby grzewcze - w Polsce najczęściej do przygotowania ciepłej wody i podgrzewania wody w basenach, rzadziej do ogrzewania budynków. W naszej strefie klimatycznej największe zapotrzebowanie na energię na cele grzewcze przypada na okres od października do maja, podczas gdy najbardziej korzystny do pozyskiwania energii słonecznej jest czas od marca do października. Instalacje solarne charakteryzują się wysokim kosztem inwestycyjnym. Obejmuje on: absorbery cieczowe, konstrukcje wsporcze, wymienniki i zasobniki ciepła, rurociągi, armaturę, pompy oraz urządzenia sterujące. Jest to wydatek rzędu 1500 do 5000 zł za każdy metr kwadratowy absorbera. Przy czym jednostkowe koszty instalacji większych (co najmniej kilkaset metrów kwadratowych), wyposażonych w kolektory płaskie, zbliżone są do dolnej granicy, zaś koszty instalacji dla domków jednorodzinnych (przeciętnie ok.6 metrów kwadratowych) z kolektorami próżniowymi, oscylują wokół górnej granicy. Ponadto jest to koszt dodatkowy, gdyż kolektory słoneczne nie zastępują w bilansie zapotrzebowania na moc cieplną, współpracujących z nimi, konwencjonalnych źródeł ciepła Warunkiem opłacalności stosowania instalacji solarnych jest uzyskanie odpowiednio dużych oszczędności eksploatacyjnych, na które składają się obniżenie kosztu paliwa konwencjonalnego oraz dodatkowy efekt w postaci kosztu uniknietej emisji związanej z zaoszczędzeniem paliwa konwencjonalnego. Dla wyznaczenia efektu ekonomicznego zastosowania instalacji solarnej należy wyznaczyć następujące wielkości: 1. Uzysk słoneczny ilość ciepła użytecznego pozyskanego w ciągu całego roku z instalacji solarnej na jednostkę powierzchni absorbera; 2. Ilość i koszt zaoszczędzonego paliwa konwencjonalnego; 3. Ilość oraz koszt uniknietej emisji CO 2. 3.2. Uzysk słoneczny Ilość energii słonecznej, która dociera do powierzchni Ziemi, zależy od pogody, zachmurzenia na danym terenie, szerokości geograficznej, czyli kąta padania promieni słonecznych i zanieczyszczenia powietrza. Im więcej jest dni pochmurnych, im dalej od równika i im bliżej wielkich miast, tym mniej energii słonecznej dociera do powierzchni Ziemi. 14
Uzysk słoneczny [ kwh/m2/rok] Zatem jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na wartość uzysku słonecznego ma lokalizacja, orientacja oraz sposób zabudowy absorberów. Bardzo ważne przy montażu kolektorów jest zachowanie odpowiedniego - zapewniającego maksymalne pochłanianie energii słonecznej - kąta nachylenia do powierzchni Ziemi. W Polsce latem najbardziej efektywny jest kąt 30, zimą - 60. Kolektor, z którego będzie się korzystać wyłącznie latem, trzeba zamontować pod katem 30 do powierzchni Ziemi, kolektor używany przez cały rok - pod kątem 35-45. Kolektory najlepiej jest montować na połaci dachu lub jako wolno stojące od strony południowej. Drugim z czynników jest typ (sprawność) kolektora. Kolektory próżniowe umożliwiają pozyskanie istotnie większej ilości energii słonecznej niż kolektory płaskie. Istotny wpływ na uzysk słoneczny mają również parametry (temperatura nominalna) instalacji odbiorczej oraz udział ciepła pozyskanego z instalacji solarnej w pokryciu jej całkowitych potrzeb. Im wyższa wymagana temperatura odbiornika oraz udział w pokryciu potrzeb tym niższy uzysk słoneczny. Na rysunku 1 zilustrowano wpływ lokalizacji oraz stopnia pokrycia potrzeb na wielkość uzysku słonecznego na przykładzie standardowej instalacji solarnej z kolektorami płaskimi pracującej na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej. Temperatura zasilania ciepłej wody to 55 C, kolektory zorientowane na południe, zamontowane na stałe i nachylone pod kątem 35. W podanym przykładzie różnica w uzysku słonecznym dla identycznej instalacji zlokalizowanej w Warszawie i pd-zach. Niemczech wynosi około 30%, zatem nie można automatycznie przenosić doświadczeń z innych krajów na warunki polskie. Kolektory płaskie 900 800 700 600 Standardowa instalacja cwu, południowozachodnie Niemcy Standardowa instalacja cwu, Warszawa 500 400 300 200 100 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Stopień pokrycia potrzeb [-] Rys.1 Wpływ lokalizacji na wartość uzysku słonecznego (Obliczenia wykonano programem GetSolar) Z kolei na rysunku 2 przedstawiono wpływ rodzaju kolektora oraz parametrów instalacji na wielkość uzysku słonecznego. Zdecydowanie lepsze parametry mają kolektory próżniowe, uzysk słoneczny jest w tym przypadku ok.30% wyższy niż z kolektorów płaskich niezależnie od rodzaju instalacji odbiorczej. Analizując wpływ rodzaju (parametrów) instalacji odbiorczej, różnica ta jest zmienna, silnie zależna od stopnia pokrycia potrzeb. 15
Usysk słoneczny [kwh/m 2 /rok] Lokalizacja: Warszawa 800 700 600 575 500 400 380 300 200 100 0 Ciepła woda - standardowy kolektor płaski Ciepła woda - dobry kolektor próżniowy Basen - standardowy kolektor płaski Basen - wysokiej klasy kolektor próżniowy 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% Stopień pokrycia potrzeb [-] Rys.2 Wpływ typu kolektorów oraz parametrów instalacji odbiorczej na wartość uzysku słonecznego (Obliczenia wykonano programem GetSolar) Podane wyżej zależności są jedynie ilustracją omawianych zjawisk dla konkretnych typów kolektorów oraz wybranej lokalizacji oraz orientacji absorberów. Dla wyliczenia uzysku słonecznego dla konkretnej instalacji należy wykonać obliczenia uzysku słonecznego wykorzystując dedykowane dla tego celu oprogramowanie uniwersalne np. GetSolar, RetScreen lub programy dedykowane poszczególnych producentów instalacji solarnych. 01B3.3 Oszczędności eksploatacyjne Ciepło pozyskane z instalacji solarnej zastępuje energię konwencjonalną, którą trzeba by było wyprodukować w głównym źródle ciepła dla budynku. Koszt zaoszczędzonej energii lub paliwa jest w zasadzie jedynym składnikiem oszczędności eksploatacyjnych. Im droższa energia konwencjonalna tym wyższe oszczędności eksploatacyjne. Na rysunku 3 przedstawiono zależność jednostkowych oszczedności eksploatacyjnych od ceny jednostkowej energii konwencjonalnej oraz uzysku słonecznego. Przy czynnikach sieciowych, takich jak ciepło z miejskiego systemu ciepłowniczego czy gaz ziemny, należy brać pod uwagę jedynie składniki zmienne ceny nośnika, zależne od zużycia, gdyż opłaty stałe pozostają bez zmian instalacja solarna nie obniża mocy zamówionej. 16
Oszcędności eksploatacyjne [zł/m 2 /rok] 400 350 Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] 100 200 300 250 200 150 100 50 218 142 105 68 300 400 500 600 700 800 Rys.3 Zależność jednostkowych oszczędności eksploatacyjnych od jednostkowych kosztów energii konwencjonalnej i uzysku solarnego. 3.4 Emisja uniknięta 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Jednostkowy koszt energii konwencjonalnej [zł/gj] Ciepło pozyskane z instalacji solarnej nie powoduje emisji gazów cieplarnianych, zatem każda ilość wykorzystanej energii słonecznej powoduje uniknięcie emisji jaka spowodowałoby wykorzystanie paliwa konwencjonalnego. Na rysunku 4 przedstawiono ilość unikniętej emisji na jednostkę powierzchni absorbera w zależności od uzysku solarnego oraz rodzaju energii konwencjonalnej zastępowanej przez energię słoneczną. Zdecydowanie największe korzyści ekologiczne przynosi stosowanie instalacji solarnych współpracujących z urządzeniami zasilanymi energią elektryczną, przy współpracy z kotłownią gazową korzyści te są dużo mniejsze. 17
Uniknięta emisja CO2 (kg/m2/rok] 900 800 700 Energia konwencjonalna Olej opałowy Energia elektryczna Kotłownia węglowa Ciepłownia - węgiel EC - węgiel Kotłownia gazowa 600 655 500 400 430 300 200 150 100 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] Rys.4 Zależność jednostkowej oszczędności eksploatacyjnych od uzysku solarnego i rodzaju energii konwencjonalnej. Dyrektywa WE/32/2006 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 roku w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych zobowiązuje Państwa Członkowskie do zapewnienia efektywności końcowego wykorzystania energii w sektorze publicznym, który odgrywa w tej dziedzinie rolę wzorcową. Wdrożenie tej Dyrektywy w Polsce ma doprowadzić do monitorowania i rejestracji wzrostu efektywności energetycznej oraz rejestracji redukcji emisji w budownictwie. W efekcie każde ograniczenie emisji CO 2 do atmosfery będzie miało wymierną wartość, nawet w małej skali. Planowane jest wprowadzenie białych certyfikatów, które dokumentować będą osiągniętą redukcję emisji i staną się przedmiotem obrotu rynkowego. Przewidywana wartość takiego certyfikatu wobec konieczności realizacji Pakietu Energetyczno-Klimatycznego będzie wynosić 30 50EURO/Mg redukcji emisji CO 2. Stanie się to dodatkowym źródłem przychodów zwiększających efektywność stosowania instalacji solarnych. Na rysunku 5 przedstawiono przewidywane przychody związane z unikniętą emisją w zależności od wielkości redukcji oraz przewidywanych kosztów białych certyfikatów. 18
Wartość unikniętej emisji [zł/m2/rok] 250 200 Jednostkowy koszt emisji CO2 [ /Mg] 5 15 30 45 60 150 100 80 50 53 19 12 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Uniknięta emisja CO2 [kg/m 2 /rok] Rys. 5 Zależność wartości unikniętej emisji od ilości unikniętej emisji oraz przewidywanej wartości białych certyfikatów 1B3.5. Przykład Określenie prostego czasu zwrotu dla instalacji solarnej zlokalizowanej w Warszawie, pokrywającej 32% potrzeb produkcji ciepłej wody użytkowej o temperaturze 55 o C. Absorbery o nachyleniu 35 o zamontowane są nieruchomo i zorientowane na południe. Kolektory płaskie lub próżniowe współpracują z konwencjonalną instalacją zasilaną gazem ziemnym lub energią elektryczną. Lp Wyszczególnienie Źródło danych Jednostka 1 Energia konwencjonalna założenie Kolektory próżniowe gaz ziemny energia el. Kolektory płaskie gaz ziemny energia el. 2 Stopień pokrycia potrzeb założenie 32% 32% 32% 32% 3 Koszt inwestycyjny założenie zł/m2 3500 3500 2000 2000 4 Koszt energii konwencjonalnej założenie zł/gj 50 105 50 105 5 Jednostkowy koszt emisji założenie EURO/Mg 30 30 30 30 6 Uzysk słoneczny Rys.2 kwh/m2/rok 575 575 380 380 7 Oszczędności eksploatacyjne Rys.3 zł/m2/rok 105 218 68 142 8 SPBT bez emisji w.3 / w.7 lata 33 16 29 14 9 Uniknięta emisja Rys.4 Mg/m2/rok 150 655 100 430 10 Wartość unikniętej emisji Rys.5 zł/m2/rok 19 80 12 53 11 12 Oszczędności eksploatacyjne z emisją SPBT z uwzględnieniem emisji w.7 + w.10 zł/m2/rok 124 298 80 195 w.3 /w.11 lata 28 12 25 10 19
3.6 Podsumowanie Instalacje solarne dla przygotowania ciepłej wody użytkowej charakteryzują się niską efektywnością ekonomiczną. W przypadku współpracy z kotłownią gazową lub siecią ciepłowniczą czas zwrotu nakładów może przekroczyć techniczny czas życia inwestycji Takich skojarzeń nośników energii należy unikać. Umiarkowaną efektywność można uzyskać jedynie zastępując energią słoneczną elektryczne podgrzewacze wody. Instalacje solarne dla basenów mają wyższą rentowność lecz aby była ona satysfakcjonująca wymagane są subwencje. Uwzględnienie dodatkowych korzyści związanych z ograniczeniem emisji może poprawić efektywność, ale nie na tyle, aby inwestycja w instalację solarną stała się atrakcyjna ekonomicznie. Jedyną drogą zwiększenia atrakcyjności tych inwestycji jest zdecydowana obniżenie nakładów inwestycyjnych, na przykład poprzez system subwencji. Subwencja w wysokości 1000zł/m2 absorbera zwiększyłaby atrakcyjność inwestycji. Taki system pomocy stosowała Fundacja EkoFundusz ale tylko dla dużych instalacji wg skomplikowanej i kosztownej procedury. Inwestorzy indywidualni nie mogą liczyć w chwili obecnej na żadną pomoc finansową, a jest to największa potencjalnie grupa inwestorów zainteresowanych energią słoneczną. To, że powierzchnia instalowanych cieczowych kolektorów słonecznych systematycznie rośnie należy przypisać wysokiej świadomości społecznej inwestorów lub raczej, co jest bardziej prawdopodobne, ich snobizmowi i próżności. Bibliografia 1. A.Wiszniewski i in. Modernizacja systemów zaopatrzenia w ciepło budynków mieszkalnych, Wyd. Dom Przyjazny 2006r. www.domprzyjazny.org 2. GetSolar program do symulacji pracy instalacji z kolektorami słonecznymi www.getsolar.info.pl 3. RetScreen pakiet programów do oceny projektów Czystej Energii, www.retscreen.net 20