Aktywne metody pozyskiwania energii słonecznej cz.I

Aktywny system słoneczny to instalacja, w której przemiana energii promieniowania słonecznego w energię użytkową zachodzi w odpowiednich elementach składowych, w sposób wymuszony działaniem urządzeń mechanicznych napędzanych dodatkową energią z zewnątrz. Zadaniem aktywnego systemu grzewczego jest pochłanianie i magazynowanie energii promieniowania słonecznego, a następnie w sposób kontrolowany rozprowadzenie jej do odbiorcy.

Do aktywnych systemów słonecznych należą:

  • termiczne kolektory słoneczne (następuje w nich konwersja fototermiczna) są to systemy przetwarzające energię słoneczną w ciepło,
  • ogniwa fotowoltaiczne (następuje w nich konwersja fotowoltaiczna) są to systemy przetwarzające bezpośrednio energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

Kolektory słoneczne

Kolektory słoneczne najczęściej wykorzystywane są do podgrzewania centralnej wody użytkowej (CWU). W większości przypadków instalowane są one na powierzchniach dachów obiektów zaopatrywanych w ciepło. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jest równomierne w ciągu całego roku, co sprzyja efektywnemu wykorzystaniu kolektorów słonecznych. Największa efektywność kolektorów przypada od kwietnia do września.

Efektywność kolektorów słonecznych
Rys.1.5. Efektywność kolektorów słonecznych

Słoneczna instalacja CWU może w prosty sposób zostać podłączona do istniejącej konwencjonalnych systemów wodnych i grzewczych. Już na etapie projektowania obiektów mieszkaniowych w wielu państwach uwzględnia się wyposażenie ich w instalacje słoneczne CWU. Słoneczne instalacje na stałe wpisały się w krajobraz państw basenu morza Śródziemnego – Grecja, Turcja, Izrael, Cypr, Włochy, Francja czy Hiszpania.

Kolektory są urządzeniami energetycznymi, które absorbują energię promieniowania słonecznego i przetwarzają w energię cieplną za pomocą pośredniczącego medium roboczego. W zależności od rodzaju medium kolektory dzielą się na powietrzne i cieczowe.

Budowa kolektora słonecznego
Rys.1.6 Budowa kolektora słonecznego.

W kolektorze cieczowym transformacja energii słonecznej w użyteczną formę energii cieplnej opiera się na wykorzystaniu właściwości cieplnych „czarnych” powłok. Szkło charakteryzuje się zdolnością przepuszczania promieniowania krótkofalowego do 3 co odpowiada długością fali promieniowania słonecznego. Zatem szklana pokrywa przepuszcza promieniowanie słoneczne. Umieszczony pod nią absorber pochłania promieniowanie i nagrzewa się. Rozgrzana płyta emituje promieniowanie cieplne o długościach fal ponad 3, które nie są przepuszczane przez szklaną pokrywę. Ponieważ szkoło nie przepuszcza promieniowania długofalowego, natomiast pochłania je dochodzi do utraty ciepła. Energia cieplna jest odbierana z absorbera rurociągiem cieczowym, w którym czynnik roboczy podgrzewa się do temperatury zależnej od intensywności napromieniowania słonecznego oraz od natężenia przepływu.

Do bardziej nowoczesnych, ale droższych konstrukcji, należą tubowe kolektory próżniowe. Kolektor składa się z kilku do kilkunastu szklanych rur o wysokiej próżni. W każdą rurę próżniową wbudowany jest absorber z zamocowaną rurką, w której nagrzewa się czynnik roboczy. Próżnia gwarantuje minimalne straty ciepła do otoczenia.

Zasada działania kolektorów powietrznych jest analogiczna do cieczowych. Docierająca energia słoneczna do powierzchni absorbera przemieniana jest w energię cieplną. Powietrze, które jest medium roboczym, przepływając wzdłuż powierzchni absorbera przejmuje od niego energię cieplną podwyższając swoją temperaturę. Kolektory słoneczne powietrzne budowane są jako płaskie lub cylindryczne . Absorber kolektora płaskiego stanowi płyta płaska lub falista. Częściej stosowane są płyty faliste, ponieważ zwiększa ona powierzchnię czynną absorbera bez powiększenia rozmiarów kolektora.

Najlepszym materiałem na płytę absorbera jest miedź, ponieważ charakteryzuje się bardzo dobrą przewodnością cieplną. Kolektory powietrzne cylindryczne, zwane też rurowymi, najczęściej wykonane są z dwóch rękawów z folii polietylenowej. Przezroczysty rękaw leży bezpośrednio na ziemi i spełnia rolę pokrywy, której zadaniem jest ochrona przed stratą ciepła. Wewnętrzny czarny rękaw spełnia rolę absorbera. Końce obu rękawów kolektora przymocowane są obustronnie do walców cylindrycznych.

Z jednej strony kolektora wentylator tłoczy powietrze do kanału wewnątrz czarnego rękawa i pomiędzy rękawy. Powietrze zasysane z otoczenia o określonej wilgotności pod wpływem wytworzonego ciśnienia przez wentylator ogrzewa się wstępnie, przejmując także ciepło od silnika elektrycznego. Energia promieniowania słonecznego padająca na wypełnione powietrzem rękawy przekształca się w absorberze w energię cieplną unoszoną przez powietrze. Powietrze nagrzewa się uzyskując 6-10 K.

Powietrzne aktywne systemy grzewcze mają szereg zalet w porównaniu z kolektorami cieczowymi:

  • nie występuje problem zamarzania lub wrzenia czynnika w kolektorze,
  • mniejsze zagrożenie korozją,
  • nośnik energii podgrzany w kolektorach może by wykorzystany bezpośrednio do ogrzewania bez pośrednich wymienników ciepła.

Nie są one jednak pozbawione wad, główne z nich to :

  • relatywnie wysokie koszty przetłaczania czynników,
  • wymagana duża objętość układu magazynującego,

Zasadniczymi elementami każdej słonecznej instalacji CWU są: kolektor energii promieniowania słonecznego, zbiornik magazynujący, układ transportujący podgrzany czynnik z kolektora do zbiornika , układ kontrolno-sterujący oraz pomocniczy podgrzewacz wody. Słoneczne systemy CWU budowane są w kilku podstawowych wariantach w zależności od sposobu transportowania czynnika z kolektorów do zbiornika magazynującego i od wzajemnego sprzężenia tych elementów oraz umieszczenia dodatkowego wspomagającego podgrzewacza konwencjonalnego.

Z uwagi na warunki klimatyczne lub dużą mineralizację wody sieciowej zachodzi konieczność zastosowania mieszanki niezamarzającej. W takim przypadku stosuje się instalacje z wydzielonym obiegiem pierwotnym. W przeciwieństwie do instalacji z obiegiem bezpośrednim, gdzie woda cyrkulująca w kolektorze pobierana jest bezpośrednio ze zbiornika magazynującego, energia odbierana z kolektora za pomocą pośredniego wymiennika ciepła oddawana jest wodzie. Wymiennik ten zazwyczaj umieszczony jest bezpośrednio wewnątrz zbiornika.

W naszej strefie klimatycznej najczęściej spotykane są słoneczne instalacje CWU z przepływem wymuszonym. Ze względu na możliwość występowania ujemnej temperatury otoczenia, są to prawie zawsze układy z wydzielonym obiegiem pierwotnym, w którym krąży mieszanka niezamarzająca. Na rysunku 7.7 przedstawiono budowę takiej instalacji oraz jej elementy składowe. Kolektory słoneczne umieszcza się zazwyczaj na południowych połaciach dachów budynków, rzadziej na stelażach umieszczonych bezpośrednio na gruncie. Magazynujący zbiornik umieszczony jest wewnątrz budynku, w pobliżu kotła centralnego ogrzewania.

Schemat budowy słonecznej instalacji przygotowania CWU
Rys. 1.7. Schemat budowy słonecznej instalacji przygotowania CWU.

Mgr inż. Śliwiński Tomasz

Literatura: