Energia słoneczna
Jednym z głównych źródeł energii odnawialnej jest energia cieplna pochodząca z promieniowania słonecznego. Dociera one do nas nie tylko wtedy gdy słońce świeci pełnym blaskiem, ale również przy ciemnym zachmurzonym niebie. Energia ta jest najbezpieczniejsza ze wszystkich źródeł uzyskiwania energii. Jest ogromna, ale bardzo rozproszona. Jednak w ciągu 5 minut do ziemi dociera promieniowanie słoneczne równe rocznemu zapotrzebowaniu na energię naszej planety.
Do zewnętrznych warstw atmosfery, usytuowanych prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych dociera strumień promieniowania ISC =1378m2. Wartość ta zmienia się nieznacznie w ciągu roku, odchyłka wynosi +/-3,4%. Wartość tą nazywamy stałą słoneczną.
Energia ta jest częściowo rozpraszana przez atmosferę ziemską i ostatecznie do powierzchni ziemi dociera w postaci:
- promieniowania bezpośredniego, pochodzącego bezpośrednio ze Słońca,
- promieniowania rozproszonego, części promieniowania bezpośredniego, która uległa wielokrotnemu załamaniu w wyniku przejścia przez atmosferę, docierającego do powierzchni ziemi w sposób nieukierunkowany,
- promieniowania odbitego, części promieniowań bezpośrednich i rozproszonych, powstających w wyniku ich odbicia od otaczającego krajobrazu.
W bezchmurny dzień, w Polsce, do powierzchni ziemi dociera energia około 1000W/m2 i składa się w 80-90% z promieniowania bezpośredniego. Jeżeli niebo przykryją gęste chmury dociera do nas wyłącznie promieniowanie rozproszone w ilości 100-200W/m2.
Uwzględniając straty instalacji i efektywność procesu przekazywania ciepła do zasobnika buforowego dociera ok. 50-60% tej energii. Czyli podsumowując, w słoneczny dzień z 1m2 powierzchni kolektora dociera do zbiornika buforowego ok. 500-600W energii.
Zasoby energetyczne w Polsce, w zależności od regionu, nieznacznie się wahają. W poszczególnych latach nasłonecznienie może się wahać od średnich wartości o 12 %, co świadczy o równomiernym nasłonecznieniu w przeciągu szeregu lat.
Największe nasłonecznienie występuje na terenie wybrzeża oraz na krańcach wschodniej Polski. Najmniejszy dopływ energii słonecznej występuje na południu Polski, ale jest to równocześnie teren o największym nasłonecznieniu w miesiącach zimowych.
Istotnym zagadnieniem jest kąt padania promieniowania słonecznego na daną płaszczyznę. Dokładne ustalenie jego optymalnej wartości wymaga analizy ruchu Słońca po nieboskłonie. Pozycje Słońca można ustalić za pomocą dwóch danych: wysokości Słońca nad horyzontem i azymutu podawanych w stopniach. Parametry te są zależne od pory roku i dnia. W Polsce Słońce osiąga maksymalną wysokość 61,4° 21 czerwca, zaś minimalną 14,6° 22 grudnia.
Oczywiste jest, że najwyższe napromieniowanie otrzymuje płaszczyzna ustawiona zawsze prostopadle do promieni słonecznych. Pociąga to za sobą konieczność montażu urządzeń do sterowania mechanicznego instalacją słoneczną, co obniża jej sprawność energetyczną i jednocześnie zwiększa ryzyko awarii części ruchomych mechanizmu. Czyli staje się nieuzasadnione ekonomicznie, gdyż tańsze i bardziej niezawodne jest w takim przypadku zwiększenie powierzchni
kolektorów.
W rzeczywistości z niewielką stratą można przyjąć kąt nachylenia kolektorów równy 30° w miesiącach od maja do sierpnia oraz 60° w sezonie zimowym, a w całorocznym uśrednieniu ok. 40-45°.
Kolektory
Kolektory słoneczne są urządzeniami, których zadaniem jest podgrzanie wody do celów użytkowych oraz przy odpowiednim wykonaniu instalacji, do celów wspomagania centralnego ogrzewania budynków.
Generalizując, zasada działania kolektorów sprowadza się do następującego schematu: powierzchnia absorbcyjna kolektora pochłania energię cieplną zawartą w promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni ziemi i przekazuje ją czynnikowi grzewczemu (płyn o niskiej temperaturze zamarzania) przepływającemu przez szynę zbiorczą. Energię cieplną w ten sposób przechwyconą transportuje się do zasobnika wody, skąd jest ona czerpana do dalszego wykorzystania.
Kolektory, uwzględniając ich budowę dzielimy na płaskie i próżniowe. Pojawiają się również rozwiązania pośrednie, jednak nie są one zbyt popularne.
Zaletą kolektorów płaskich jest ich niższa cena oraz lepsze parametry pracy w okresie letnim. Kolektory próżniowe wyraźnie lepiej sprawują się w okresie przejściowym oraz zimą. Po prostu ze względu na swoją konstrukcję charakteryzują się nieporównywalnie lepszą izolacją cieplną i są w stanie przekazać praktycznie całą wychwyconą energię.
Przekazywanie ciepła przez kolektory często mija się w czasie z zapotrzebowaniem na to ciepło, dlatego instalacje solarne z reguły wyposażane są w magazyny ciepła - zasobniki. Ciepło przechwycone przez kolektor lub zespół kolektorów jest odprowadzane do zasobnika ciepła za pomocą czynnika grzewczego w celu dalszego wykorzystania. Sterownik instalacji działa w taki sposób, że wychwytuje każdą nadwyżkę ciepła, jaką można przekazać i zakumulować w zasobniku.
Dalsze wykorzystanie ciepła zależy od potrzeb np. może to być wspomaganie wytwarzania, a w miesiącach letnich nawet wyłączne wytwarzanie ciepłej wody użytkowej (CWU). Także do wspomagania niskotemperaturowych instalacji centralnego ogrzewania (CO) lub do podgrzewania wody basenowej. Instalacje solarne można wyposażać w sterowniki, które panują nie tylko nad optymalnym wykorzystaniem ciepła słonecznego, ale także zawiadują całą instalacją co, przygotowania i dystrybucji CWU łącznie z regulowaniem pracą kotła (opalanego gazem, olejem itp.) i reagowaniem na zmiany pogodowe.
Zapraszamy do zapoznania się ze stroną SUNNEN.
Opracowanie i fot.: Sunnen