ENERGETYKA SŁONECZNA

Słońce jest podstawowym źródłem energii dla naszej planety. Przed milionami lat energia słońca docierająca do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Również słońcu zawdzięczamy energię jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie. Można także bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną poprzez zastosowanie specjalnych systemów do pozyskiwania i akumulowania energii słonecznej. Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii emitowany przez Słońce równomiernie we wszystkich kierunkach. Miarą wielkości promieniowania słonecznego docierającego ze słońca do ziemi jest tzw. stała słoneczna. Jest ona wartością gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchni stratosfery i obecnie wynosi 1,4 kW/m2. W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania:

- bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej
- rozproszone powstaje w wyniku wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery
- odbite powstaje w skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia.

Około 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni naszej Ziemi.

Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii.

W Polsce generalnie istnieją dobre warunki do wykorzystania energii promieniowania słonecznego przy dostosowaniu typu systemów i właściwości urządzeń wykorzystujących tę energię do charakteru, struktury i rozkładu w czasie promieniowania słonecznego. Największe szanse rozwoju w krótkim okresie mają technologie konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego, oparte na wykorzystaniu kolektorów słonecznych. Ze względu na wysoki udział promieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym, praktycznego znaczenia w naszych warunkach nie mają słoneczne technologie wysokotemperaturowe oparte na koncentratorach promieniowania słonecznego. Rząd napromieniowania słonecznego na terenie Polski wynosi ok. 900 - 1150 kW/mkw na rok.  W przeciągu roku  mamy do czynienia z  nasłonecznieniem przez około 57 - 79 dni.

Baterie słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaniczne. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw, wzajemnie połaczonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z cieńkich warstw półprzewodników, zwykle z krzemu. Czasem wykorzystuje się arszenik galu, ponieważ pozwala na pracę ogniw w wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Baterii używa się również w małych kalkulatorach i zegarkach.

KOLEKTOR SŁONECZNY-podstawowy element instalacji słonecznej, jego zadaniem jest przekształcenie energii słonecznej w energię cieplną poprzez specjalną płytę absorpcyjną. Kolektory słoneczne dzielą się na dwie grupy ze względu na temperaturę czynnika przenoszącego ciepło. Są to kolektory:
- niskotemperaturowe (do 100°C) płaskie
- wysokotemperaturowe (powyżej 100°C) kolektory skupiające

Najczęściej stosuje się tzw. kolektory płaskie cieczowe.
Każdy kolektor tego typu składa się z:
-przezroczystej szyby
-powłoki absorpcyjnej
-systemu rurek miedzianych w których przepływa ciecz solarna
-ocieplenia od spodu
-obudowy aluminiowej w której zamknięte są ww. elementy.

Koszt zainstalowania kolektora słonecznego wynosi ok. 2-7 tys. zł/m². Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie ocenia, że większe inwestycje solarne są opłacalne pod warunkiem uzyskania przez inwestora dotacji w wysokości 30% kosztów budowy lub preferencyjnego kredytu na bardzo korzystnych warunkach. Promuje się instalowanie sposobem gospodarczym tańszych kolektorów służących do podgrzewania wody na cele gospodarcze. Są one już opłacalne choć jeszcze mało rozpowszechnione. Otóż kolektory słoneczne do podgrzewania wody w gospodarstwach domowych zmniejszają jej koszt aż o 60- 70%, zwrot stosunkowo wysokich nakładów inwestycyjnych sięga 6-7 lat, ale w sytuacji korzystania z większej ilości ciepłej wody okres ten skraca się do 4 lat i mniej.

W zależności od użytych materiałów współczynnik pochłaniania energii słonecznej może osiągnąć wartość do 95-97%.
Najkorzystniejsze jest wykorzystywanie kolektorów w systemach przygotowania ciepłej wody użytkowej i ocieplenia wody w basenach kąpielowych. Inne zastosowania to pielęgnacja zwierząt, podlewanie roślin w szklarniach, przygotowanie pasz i wody technologicznej w małych zakładach przetwórstwa rolno - spożywczego czy ocieplanie wody w stawach rybnych.
Poza wodnymi istnieją także kolektory słoneczne powietrzne. Są one budowane zwykle sposobem gospodarczym i z tego względu umykają statystykom. Ich główne zastosowanie to suszenie roślin, ziarna, drewna i materiałów budowlanych, a niekiedy też regulacja mikroklimatu w przechowalniach płodów rolnych, ogrzewanie pomieszczeń inwentarskich, hal, magazynów, szklarni, tuneli foliowych i budynków mieszkalnych.

Podział  ogólny kolektorów:
-  płaskie
-  cieczowe
-  płaskie próżniowe
-  próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury)
- skupiające (prawie zawsze cieczowe)
- specjalne

Zastosowanie poszczególnych kolektorów słonecznych:
a) kolektor płaski
-  podgrzewania wody użytkowej,
-  podgrzewanie wody basenowej,
-  wspomagania centralnego ogrzewania,
-  chłodzenia budynków,
-  ciepła technologicznego.
Zalety:

Wady:
-  odpowiednie warunki helioenergetyczne
-  mniejsze nasłonecznienie w okresie zimowym ( w porównaniu do innych kolektorów)
-  dość niska wydajność w okresach przejściowych
b) cieczowy

 Systemy z cieczowymi kolektorami promieniowania słonecznego mieszczą się w dziedzinie konwersji termicznej tej energii. Konwersja termiczna może być klasyfikowana jako nisko, średnio i wysokotemperaturowa. Cieczowe kolektory słoneczne można zastosować ogólnie do:
*ogrzewania wody i pomieszczeń,
*produkcji elektryczności,
*procesów chemicznych.

Ogrzewanie wody jest procesem najprostszym ze względu na wymagane niewielkie różnice temperatur i brak problemów materiałowych. Najważniejszy składnik systemu, absorber może być niczym nie zasłonięty (przed stratami do otoczenia) i wtedy jest przydatny w niedrogich systemach np. do podgrzewania wody w basenach kąpielowych. Zaizolowanie absorbera od spodu i szybą od strony czołowej tworzy najbardziej znany opisany poprzednio płaski kolektor promieniowania słonecznego. Najniższe straty cieplne zapewnia absorber umieszczony w próżniowej rurze (rozwiązanie najdroższe).

W Europie Centralnej cieczowe kolektory nie są stosowane do ogrzewania pomieszczeń (niskie wartości promieniowania słonecznego zimą). Zadanie to mogą spełnić kolektory powietrzne, o ile stanowiłyby składnik istniejącego systemu klimatyzacyjnego (minimalizacja kosztów).

Istotny postęp w dziedzinie najbardziej popularnych słonecznych systemów ciepłej wody użytkowej (cwu), jest możliwy i kontynuowany. Względy ekonomiczne determinują konieczność takiego ich rozwoju, aby spełniały one warunki:

• niska cena;

• wysoka sprawność;

• długi okres eksploatacji.

c)Kolektor próżniowy płaski – to najbardziej popularny i rozpowszechniony typ kolektora, który otrzymaną energię słoneczną przetwarza na ciepło.  Pozwala on na osiągnięcie zysku nawet w przypadku niewielkiej intensywności nasłonecznienia . Można go wykorzystywać wszędzie tam, gdzie tylko istnieje potrzeba uzyskania wysokich temperatur. 
Zastosowanie:
-  wspomaganie centralnego ogrzewania
-  przygotowywanie ciepłej wody wykorzystywanej do celów użytkowych w gospodarstwach domowych
-  przygotowywanie ciepłej wody wykorzystywanej do celów użytkowych  w gospodarstwach przemysłowych
-  przygotowywania (podgrzewania) wody basenowej
-  solarne chłodzenie
Zalety:
-  wysokie parametry jakościowe,
-  funkcjonalność,
-  przystępna cena,
-  trwałość kolektora,
-  szybkie działanie, czas rozruchowy jest krótki działają niemal od razu,
-  by uzyskać tę samą moc, wymaga mniejszej powierzchni całkowitej,
-  w momencie zasypania kolektora śniegiem, słońce jest w stanie stopić powłokę przysłaniającą
Wady:
-  niższa wydajność ( w porównaniu z innymi kolektorami) w okresach przejściowych,
-  pomimo iż uszkodzenia występują rzadko, prowadzą jednak do wymiany całego lustra kolektora,
-  brak izolacji termicznej i niskie nasłonecznienie w okresie zimowym 
e) kolektory słoneczne powietrzne - są one budowane zwykle sposobem gospodarczym i z tego względu umykają statystykom. Ich główne zastosowanie to suszenie roślin, ziarna, drewna i materiałów budowlanych, a niekiedy też regulacja mikroklimatu w przechowalniach płodów rolnych, ogrzewanie pomieszczeń inwentarskich, hal, magazynów, szklarni, tuneli foliowych i budynków mieszkalnych.

b)Kolektor próżniowy – można zasadniczo podzielić na 2 rodzaje:
*)   kolektory próżniowe rurowe – jego specyfikacja polega na tym, że zbudowany jest z kilkunastu lub kilkudziesięciu rur próżniowych  wpiętych w przepływowy wymiennik ciepła. Próżnia charakteryzuje się bardzo małą emisją promieniowania cieplnego z nagrzanego już absorbera, w jaki jest wyposażona do otoczenia oraz przenikalnością promieniowania cieplnego. Rura próżniowa wyposażona jest w rurkę miedziana zakończoną kondensatorem oraz w aluminiowy radiator. W najbardziej opisowy sposób rura próżniowa to 2 zespolone ze sobą rury pomiędzy którymi znajduje się izolacja ciepła – próżnia.
*  kolektory próżniowe z gorącą rurką tzw.  „heat pipe” – ich charakterystyczną cechą jest to, iż wyposażone są w rurkę szklaną, która swoimi wymiarami oscyluje w granicach 1500-2000mm długości oraz średnicy ok. 60mm. W rurce tej znajduje się kapilara z cieczą pośredniczącą, która odparowuje podczas nagrzania w wyniku promieniowania, co w konsekwencji powoduje oddanie ciepła przepływającego ,  które z kolei  oddaje ciepło w zbiorniku. Rura taka ma podwójne ścianki w których tworzy się doskonała izolacja termiczna- próżnia, która wytwarzana jest z  wypompowanego powietrza. Ciepło dostaje się  do rurki cieplnej przez aluminiowy zbieracz.

Zastosowanie:
-  przy zabudowie pionowej, gdy budynek położony jest w strefie o zwiększonych opadach śniegu, lub gdy nie pozwalają na to na przykład warunki techniczne dachu
-  przy zabudowie w pozycji poziomej wysokich budynków, gdy zastosowanie kolektorów płaskich z wymaganym pochyleniem (z reguły 45°) wymusza stosowanie ciężkich obciążeń balastowych
-  przy uwzględnieniu znacznych sił oddziaływania wiatru na kon­strukcję dachu, do którego trwale są przymocowane ko­lektory słoneczne
Zalety:
-  wysoka sprawność w okresach przejściowych
-  mniejszy przyrost  strat wraz ze wzrostem temperatury kolektora w stosunku do temperatury otoczenia.
Wady:
-  stosunkowo drogie (biorąc pod uwagę porównanie z kolektorami płaskimi)
-  niższa trwałość
-  wysoki efekt ekologiczny
-  pomimo bardzo wysokiej klasy kolektorów w Polsce mamy do czynienia z nieco niższą klasą tych kolektorów ( co wiąże się oczywiście z kosztami)

Działanie kolektora jest następujące:

1. Słońce ogrzewa umieszczony w kolektorze absorber, który pochłania promieniowanie słoneczne i zamienia je w ciepło. Skuteczność pochłaniania zależy od rodzaju absorbera. Zwykły, czarny absorber dużą część promieniowania odbija. Skuteczniejszy jest tzw. absorber selektywny – pochłania on 95% padającego na niego promieniowania.

2. Od absorbera ogrzewa się czynnik grzewczy (może to być woda lub płyn niezamarzający), który przepływa przez kolektor.

3. Ogrzany płyn przepływa do zasobnika.

4. Tam oddaje ciepło ogrzewanej wodzie użytkowej, znajdującej się w zasobniku, i ochłodzony wpływa z powrotem do kolektora.

Co wpływa na sprawność kolektora?

Energooszczędność kolektorów związana jest także z uzyskaniem możliwie wysokiej sprawności ich pracy. Przede wszystkim zależy ona od ustawienia względem stron świata – największą wydajność mają urządzenia zwrócone w kierunku południowym.

Kolektor płaski może być odchylony o maksimum 15° w kierunku wschodnim lub zachodnim, bo wtedy jego sprawność obniży się nieznacznie. Jeśli odchylenie jest większe, kolektor musi mieć większą powierzchnię niż w przy ustawieniu w kierunku południowym.

Jeśli dom ma niekorzystne położenie względem stron świata, warto zastosować kolektory rurowe, w których można indywidualnie dopasować kierunek ustawienia absorbera. Kolektory rurowe mogą mieć większe dopuszczalne odchylenie od południa niż kolektory płaskie – kąt nachylenia absorbera regulujemy w każdej rurze indywidualnie.

Dla wydajności kolektora duże znaczenie ma również kąt ustawienia kolektora. Najlepsze efekty uzyskamy, gdy promienie będą padać prostopadle do jego powierzchni. Ponieważ położenie Słońca zmienia się w ciągu roku, także optymalny kąt nachylenia kolektora nie jest stały: w lecie wynosi 30°, a zimą – 60°. Kolektory, które mają pracować tylko latem, można ustawić pod kątem 30°, całoroczne pod kątem 45°. Zmiana nachylenia kolektora zamontowanego na połaci dachu nie jest możliwa, ale między 35° a 50° sprawność kolektora spada w bardzo niewielkim stopniu.

Montując kolektor na dachu płaskim lub na ziemi, możemy optymalnie dobrać jego kąt nachylenia do powierzchni ziemi

Ilość pozyskiwanej przez kolektor energii zależy także od miejsca montażu urządzenia. Jeżeli kolektory rurowe lub płaskie próżniowe są ustawione na powierzchni ziemi lub przy ścianach budynków, to im bardziej są nachylone, tym więcej pada na nie promieniowania odbitego od otaczających go powierzchni. A to oznacza, że kolektor zaabsorbuje więcej ciepła.

Niestety jest czynnik, który zmniejsza wydajność kolektorów. Jest to... zwykły kurz. Szkodzi on przede wszystkim płaskim kolektorom niepróżniowym, gdyż osiada nie tylko na powierzchni, ale także na absorberze (obudowy tych kolektorów są zazwyczaj nieszczelne). Promieniowanie słoneczne, zamiast docierać do absorbera, jest odbijane i rozpraszane na drobinkach kurzu. Po kilku latach eksploatacji sprawność kolektora może spaść nawet o 30%. Powierzchnię kolektora należy więc myć raz w roku.

Okres możliwej eksploatacji
Instytucje certyfikujące urządzenia solarne wymagają, aby przewidywany czas eksploatacji kolektora słonecznego był nie krótszy niż 20 lat, bez zauważalnej utraty właściwości eksploatacyjnych. Pierwsze instalacje solarne, które powstawały w krajach Europy Zachodniej pod koniec lat siedemdziesiątych pracują do dziś.

e) skala zastosowania w Polsce ?

Wykorzystanie energii słonecznej w Polsce jest oceniane jako najsłabsze ze wszystkich źródeł odnawialnych. Wskazuje się na możliwość stosowania technologii słonecznej jedynie do ogrzewania budynków w okresie przejściowym (wiosna, jesień) bądź do dodatkowego dogrzewania ich zimą, a także do klimatyzacji pomieszczeń oraz ogrzewania wody użytkowej. Powierzchnia kolektorów słonecznych instalowanych w naszym kraju odbiega mocno od standardów europejskich, a także , że Polska pod względem popularyzacji energetyki słonecznej wzoruje się raczej na krajach, w których dynamika rozwoju tej części sektora energetycznego nie jest zbyt duża.
Możliwości wykorzystanie energii słonecznej w Polsce oceniane są na takie same jak w Niemczech a znacznie większe niż w Skandynawii, gdzie energetyka słoneczna jest intensywnie rozwijana. W przypadku Polski zastosowanie kolektorów słonecznych na szeroką skalę jest dopiero przed nami. Przyczyn takiego stanu można upatrywać w braku dofinansowania przez państwo rozwoju energetyki odnawialnej, braku zaufania do niekonwencjonalnych źródeł energii, braku wykwalifikowanych projektantów oraz w niskiej jakości polskich produktów i w wysokich cenach zagranicznych. Spory wpływ miał również fakt iż do roku 2002 nie obowiązywała w Polsce żadna norma określająca wymaganie dotyczące kolektorów słonecznych.

W naszym kraju generalnie istnieją dobre warunki do wykorzystania energii promieniowania słonecznego przy dostosowaniu typu systemów i właściwości urządzeń wykorzystujących tę energię do charakteru, struktury i rozkładu w czasie promieniowania słonecznego. Największe szanse rozwoju w krótkim okresie mają technologie konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego, oparte na wykorzystaniu kolektorów słonecznych. Ze względu na wysoki udział promieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym, praktycznego znaczenia w naszych warunkach nie mają słoneczne technologie wysokotemperaturowe oparte na koncentratorach promieniowania słonecznego.

Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Na rysunku poniżej i w tabeli poniżej pokazano rozkład sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej dla wskazanych rejonów kraju.

Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2, natomiast średnie nasłonecznienie wynosi 1600 godzin na rok. Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie.

Kolektory słoneczne w polskich warunkach klimatycznych są lub mogą być stosowane w następujących dziedzinach:

Suszarnictwo:

• dosuszanie siana;

• dosuszanie ziarna zbóż i roślin niezbożowych;

• suszenie owoców i warzyw;

• suszenie ziół;

• suszenie wierzby, trocin.

Produkcja zwierzęca:

• podgrzewanie wody użytkowej do celów sanitarnych;

• przygotowania pasz;

• pojenia zwierząt;

• ogrzewanie budynków inwentarskich.

Hodowla ryb:

• podgrzewanie wody w stawach rybnych;

Budynki mieszkalne i produkcyjne:

• ogrzewanie pomieszczeń;

• podgrzewanie wody użytkowej;

• podgrzewanie wody w basenach;

• a także szklarnie, hale, magazyny.

f) skala zastosowania w Europie ?

Europejska Federacja Przemysłu Energetyki Słonecznej ESTIF

W państwach bogatych, np. w Unii Europejskiej, decydujące dla rozwoju energetyki słonecznej są w pierwszej kolejności czynnik ekologiczny, a następnie podniesienie poziomu bezpieczeństwa dostaw energetycznych. Szacuje się bowiem, że wykorzystanie 8 m² kolektorów słonecznych dla domu jednorodzinnego obniża emisję CO2 o 1 tonę rocznie. Wiąże się to także z poważną redukcją emisji SO2 i NOx i zmniejszeniem zapotrzebowania na energię konwencjonalną niemal o 10 MWh.

Istotnym problemem w nisko temperaturowym wykorzystywaniu energii słonecznej jest " magazynowanie" ciepła. Może się to odbywać poprzez ogrzewanie kamieni lub elementów ceramicznych w ciągu dnia, które będą oddawały ciepło w nocy lub w dni pochmurne.

Ciekawą koncepcją są również tzw. stawy słoneczne, czyli układy realizujące fototermiczną konwersję energii słonecznej w taki sposób, że jej pochłanianie i magazynowanie w postaci ciepła zachodzi w tym samym ośrodku. Funkcję kolektora słonecznego pełni zbiornik wody lub solanki o dużej powierzchni i głębokości 0,5- 2 m. Promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię stawu wnika w głąb cieczy i jest pochłaniane przez zaczernione dno. W ten sposób warstwy przydenne osiągają temperaturę wyższą od temperatury otoczenia, pełniąc przy tym rolę magazynu energii. Warstwy powierzchniowe stawu (lub zabudowane na nim specjalne struktury izolujące) przejmują na siebie funkcję termicznej izolacji transparentnej (przezroczystej). Podstawową zaletą stawów słonecznych jest zdolność do magazynowania dużych ilości energii na stosunkowo długie okresy (do kilku miesięcy). Energię tę można później odzyskać z wykorzystaniem pompy ciepła.

Jak na razie energia słoneczna jest marginalnym źródłem energii, ale odnotowuje się bardzo szybki przyrost mocy produkowanych ogniw słonecznych. Do roku 2006 było to 30% rocznie, w 2007 roku, na fali wzrastających cen paliw kopalnych, moc zainstalowanych paneli słonecznych skoczyła nawet o 60%.

1. 

g) problemy stosowania ?

Korzyści i wady

ZALETY:

• Bezpłatne źródło energii,

• Mniejsze zużycie paliw naturalnych,

• Czyste źródło energii,

• Przy wykorzystaniu lokalnym odpadają straty energii podczas transportu, zmniejsza się zależność od dużych przedsiębiorstw energetycznych.

WADY:

• Wyprodukowanie jednego ogniwa jest drogie,

• Długi proces produkcji,

• 25-letnie (krótkotrwałe) działanie ogniwa,

• Brak możliwości kumulacji energii,

• Skumulowany proces wytworzenia,

• Duże uzależnienie od promieniowania, pogody i pory roku.

1. 9

Potencjał techniczny energii odnawialnych w Polsce

Źródło energii odnawialnej	Polska [PJ=peta dzul]
Biomasa	895
Energia wodna	43
Zasoby geotermalne	200
Energia wiatrowa	36
Energia solarna	1340
Ogółem	2514

W ciepłych i słonecznych rejonach świata kuchenka ta ogrzewa się przeciętnie do 155ºC, co pozwala na zagotowanie wody w czasie około 58 minut.