W lutowym numerze naszego miesięcznika pisaliśmy o wykorzystaniu energii słonecznej do produkcji prądu na własne potrzeby. W poniższym artykule przybliżymy możliwości wykorzystania energii słonecznej do wytwarzania ciepła.

Powoli dobiega końca sezon grzewczy, który zapisał się alarmującymi informacjami o spalaniu nie- właściwego lub słabej jakości opału, co skutkowało tworzeniem się szkodliwego smogu w wielu miejscowościach naszego kraju.

Sezon letni kończy wprawdzie okres ogrzewania domów, ale nadal potrzebna jest energia na zapewnie- nie ciepłej wody użytkowej. Jest zatem dobry moment, aby rozważyć decyzję o zakupie i instalacji kolektorów słonecznych, które poprzez konwersję fototermiczną zamieniają darmową energię promieniowania słonecz- nego na ciepło. Ciepło to może być wykorzystywane do ogrzewania budynków oraz podgrzewania wody.

Energia promieniowania słonecznego jest najbar- dziej „czystą” postacią energii. Pozyskiwanie jej nie powoduje żadnych efektów ubocznych ani szkodli- wych emisji do środowiska naturalnego. Dodatkową zaletą tej energii jest to, że jest powszechnie dostępna. Ilość energii słonecznej, docierającej do powierzchni Ziemi, zależy od położenia geograficznego, pory roku i dnia oraz warunków atmosferycznych (np. za- chmurzenie) i zanieczyszczenia atmosfery.

Słońce jest bardzo ważnym źródłem energii także dla Polski. Średnia wartość promieniowania docierają- cego do Ziemi wynosi od 800 do 2300 kWh/m2 rocz- nie. Średnia wartość dla Europy wynosi 1200 kWh/m2 na rok, a dla Polski ok. 1000 kWh/m2.

Promieniowanie słoneczne w warunkach Polski charakteryzuje się bardzo nierównomiernym rozkła- dem w ciągu roku. Około 80% całkowitej sumy promie- niowania przypada na okres od kwietnia do września. Podobne warunki występują jednak również w krajach o podobnym położeniu geograficznym, np. w Niem- czech czy w Danii, a kolektory cieszą się tam niezwy- kłą popularnością (prawie 40% wszystkich kolektorów w całej UE instaluje się w tych krajach).

Co to jest kolektor słoneczny?

Kolektor słoneczny to urządzenie, które absorbu- je promienie słoneczne, przekształca je w ciepło, które następnie przekazuje przepływającemu nośnikowi ciepła.

W warunkach Polski kolektory słoneczne wyka- zują szczególną przydatność do podgrzewania wody użytkowej, wody basenowej, w mniejszym stopniu do wspomagania centralnego ogrzewania. Można je rów- nież wykorzystywać w suszarnictwie do suszenia np. płodów rolnych.

W okresie najkorzystniejszym dla pracy kolekto- rów słonecznych, tj. od kwietnia do września, pokry- cie potrzeb ciepła dla podgrzewania wody użytkowej może sięgać 100%, a kocioł grzewczy można całkowi- cie wyłączać z pracy.

Schemat instalacji kolektorów słonecznych

a – kolektory słoneczne          e – obieg CWU

b – zespół pompowy              f – regulator systemu solarnego c – zasobnik CWU         g – naczynie zbiorcze

d – drugie źródło ciepła

System solarny oparty na kolektorach wysokiej ja- kości jest w stanie zaabsorbować do 95% padającego promieniowania. Na naszej szerokości geograficznej Słońce świeci około 1600 – 1900 godzin w ciągu roku. Oznacza to w praktyce, że właściwie zaprojektowana i zamontowana instalacja może zaspokoić ok. 60% rocz- nego zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a tym samym znacznie obni- żyć koszty zużywanej energii.

Rodzaje kolektorów

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje kolekto- rów słonecznych: płaskie i próżniowe – rurowe. Ze względu na rodzaj czynnika roboczego kolektory dzie- limy na: cieczowe, powietrzne i cieczowo-powietrzne. Kolektory słoneczne płaskie składają się z ab- sorbera wykonanego najczęściej z metalowej płyty, pokrytej powłoką o specjalnych własnościach optycz- nych, pokrywy szklanej, rurociągu cieczowego i odpo-

wiednio zaizolowanej obudowy.

Rurociąg cieczowy jest to układ rur, w którym przepływa czynnik grzewczy (niezamarzający płyn, np. mieszanina glikolu z wodą, dobrze przewodzący ciepło). Odbiera on ciepło od nagrzanego absorbera i przekazuje do wymiennika ciepła (np. wężownicy w zbiorniku z wodą).

Kolektory płaskie są jednymi z popularniejszych, instalowanych w naszym kraju urządzeń do wytwarza- nia ciepłej wody użytkowej między innymi z powodu niższej ceny, w porównaniu do kolektorów próżniowych (ale charakteryzują się nieco mniejszą sprawnością).

Schemat budowy kolektora płaskiego

Kolektory słoneczne próżniowe – rurowe, z rurką cieplną, to najbardziej zaawansowany produkt techni- ki solarnej. Zbudowane są one z kilkunastu lub kilku- dziesięciu rur próżniowych wsuniętych w przepływo- wy wymiennik ciepła.

W rurkach ciepła znajduje się łatwo odparowują- ca ciecz (temperatura wrzenia 27 – 30°C), która przy ogrzewaniu rur przez Słońce zaczyna parować. Para konwekcyjnie unosi się do końcówki rury (kondensa- tora), umiejscowionej w kanale zbiorczym będącym wymiennikiem ciepła. Odbiera on ciepło z konden-

satorów rurek, a para w kondensatorach skrapla się i spływa na spód rurek, gdzie następuje kolejny cykl jej podgrzania. Kolektory tego typu są sprawniejsze o ok. 30% w stosunku do kolektorów płaskich.

Schemat budowy kolektora słonecznego próżniowego typu heat pipe

Rozróżnia się dwa rodzaje kolektorów próżnio- wych – z bezpośrednim przepływem czynnika grzew- czego i z rurką ciepła (heat pipe – opisaną wyżej).

Kolektor słoneczny próżniowy

Lokalizacja i warunki montażu kolektorów słonecznych

Kolektory można montować na dowolnych po- wierzchniach niezacienionych. Największą sprawność kolektorów uzyskuje się, jeżeli zorientowane są one na południe lub bliskie południowej strony oraz gdy pro- mienie słoneczne padają prostopadle do płaszczyzny absorbera.

W Polsce, ze względu na kąt padania promieni sło- necznych (zależy on od pory dnia i roku), dla instalacji całorocznych nadają się powierzchnie poziome lub o ką- cie nachylenia od poziomu nie większym niż 60 stop- ni. Optymalny kąt nachylenia pod montaż kolektorów to około 40 – 45%.

Kolektory możemy montować na dachach domów, tarasach i bezpośrednio na gruncie. W przypadku montażu na gruncie, niezbędne jest zastosowane od- powiednich stelaży.

Założenia techniczne

Szacunkowa wielkość powierzchni kolektorów do podgrzewania wody użytkowej uzależniona jest od liczby osób, które mają z niej korzystać. Zakłada się, że na 1 osobę należy zaplanować od 1 do 1,5 m2 kolektora (w zależności od typu urządzenia).

Zalecane jednostkowe zużycie ciepłej wody użytko- wej to 50 litrów/osobę na dobę a pojemność zasobnika wody powinna wynosić 1,5 – 2 krotne dzienne zapotrze- bowanie, tj. 70 – 100 litrów na osobę. Zatem powierzch- nia przykładowego kolektora słonecznego dla 4-osobo- wej rodziny powinna wynosić 6 m2, a zasobnik wody powinien mieć pojemność 300 – 400 litrów.

Należy też pamiętać, iż budowa instalacji grzew- czych wyposażonych w kolektory słoneczne składa się z wielu innych urządzeń. Poza wymienianym zasob- nikiem magazynującym ciepłą wodę, w skład instala- cji wchodzą następujące elementy:

• układ pompujący ciecz,
• układ bezpieczeństwa (zawór bezpieczeństwa),
• regulator sterujący pracą instalacji,
• rurociągi łączące elementy układu hydraulicznego,
• zasilanie energii elektrycznej dla regulatora i pompy,
• bojler gazowy/węglowy/elektryczny – dodatko- wego źródła ciepła, które dogrzewa ciepłą wodę użytkową, gdy warunki pogodowe nie pozwolą na pozyskanie wystarczającej ilości ciepła słonecznego. Przy szerokiej dostępności różnych typów kolek- torów na rynku i skomplikowanej budowie instalacji słonecznej, trudno samemu zaprojektować i oszaco- wać potrzeby inwestycyjne pod konkretne wymaga- nia. Dlatego najlepiej powierzyć to wyspecjalizowa- nym firmom instalacyjnym, których obecnie na rynku nie brakuje.

Opłacalność instalacji słonecznej

Podejmując decyzję o budowie instalacji kolek- torów słonecznych, należy przede wszystkim wziąć pod uwagę właściwą lokalizację kolektorów słonecz- nych (tj. niezacieniona powierzchnia, najlepiej połać dachu o południowej wystawie, nachylona pod odpo- wiednim kątem). Jest to jedno z głównych kryteriów decydujących o szybkim zwrocie inwestycji. Kolejną kwestią jest  optymalny  dobór  wielkości  instalacji. W związku z tym należy określić, rzeczywistą wielkość zapotrzebowania na ciepłą wodę w gospodarstwie rol- nym (głównie w okresie od kwietnia do września).

Wykorzystanie energii cieplnej z instalacji kolek- torów słonecznych zaleca się przede wszystkim tym gospodarstwom, które zużywają dużo ciepłej wody użytkowej i do jej podgrzewania wykorzystują „kosz- towne” źródła energii, takie jak: energia elektryczna, olej opałowy, gaz LPG. Będą to przede wszystkim gospodarstwa, w których mieszka wielu domowni- ków oraz prowadzące działalność agroturystyczną, zwłaszcza w okresie letnim. Instalację kolektorów słonecznych zaleca się również gospodarstwom o do-

minującej produkcji zwierzęcej, gdzie występuje duże zapotrzebowanie na ciepłą wodę do mycia i pojenia zwierząt gospodarskich. Z kolei gospodarstwa rolne o profilu produkcji roślinnej, w których zużywa się dużo energii na suszenie plonów rolnych, mogą być zainteresowane innym rodzajem instalacji solarnych, które bezpośrednio podgrzewają powietrze.

Biorąc pod uwagę przykładową instalację słonecz- ną dla 4-osobowej rodziny, o powierzchni kolektorów 6 m2, możemy zaoszczędzić ok. 2500 kWh energii rocz- nie. Koszt takiej instalacji może wynosić od 10000 do 12000 zł (w zależności od rodzaju i jakości zainstalo- wanych kolektorów).

Dzięki instalacjom słonecznym, korzystamy z dar- mowej energii, a tym samym oszczędzamy na wydat- kach z innych źródeł. Opłacalność naszej inwestycji zależy zatem od tego, jakie konwencjonalne źródło energii będzie zastępowane przez instalację kolekto- rów słonecznych. Instalacje kolektorów słonecznych będą szczególnie polecane w gospodarstwach, które dotychczas podgrzewają ciepłą wodę użytkową ener- gią elektryczną, gazem i olejem opałowym. W porów- naniu do ogrzania wody energią elektryczną, możliwe jest zaoszczędzenie około 1300 – 1500 zł na rok, gazem około 600 – 1000 zł rocznie (wartości różne w zależ- ności od ceny). Przy obecnych cenach energii, nawet w najbardziej korzystnym wariancie, okres zwrotu in- westycji wyniesie od 7 do ponad 10 lat.

Warto wspomnieć, że większość producentów sys- temów kolektorów słonecznych gwarantuje poprawne funkcjonowanie swoich instalacji przez okres 20 lat.

Opłacalność inwestycji – zwrot kosztów inwestycji będzie szybszy, gdy wzrastać będą ceny zastępowa- nych nośników energii. Ponadto możliwość skorzy- stania z dotacji również zwiększy opłacalność i zwrot kosztów. Obecnie brakuje ogólnopolskiego programu wspierającego tego typu przedsięwzięcia (ale dostęp- ne są regionalne programy wsparcia).

Korzystając z kolektorów słonecznych, inwestu- jemy w  odnawialne  źródło  energii.  Wpisuje  się  to w politykę UE i Polski, zakładającą wzrost wykorzy- stania tej energii. Zastosowanie kolektorów słonecz- nych pozwala zmniejszyć zużycie tradycyjnych paliw kopalnych, których spalanie powoduje powstawanie różnorodnych zanieczyszczeń i prowadzi do zmian klimatycznych.

Zatem dodatkową zaletą stosowania kolektorów jest ochrona środowiska. Wykorzystując 1 m2 kolek- torów słonecznych w domu jednorodzinnym, można obniżyć emisję CO₂ o 125 kg rocznie.

Źródło:

• strony internetowe: greene.pl, kolektorek.pl, budujemydom.pl,
• materiały Instytutu Energetyki Odnawialnej,
• opracowanie „Energia z zasobów odnawialnych w każ- dym gospodarstwie domowym” – BAPE.

Opracował Adam Kopeć