Promieniowanie słoneczne (energia promieniowania słonecznego)

 

10.1 Historia uzyskiwania energii ze źródła
Energia słoneczna wykorzystywana była od najdawniejszych czasów. Ludy żyjące w umiarkowanym i chłodnym klimacie budowały  swe siedziby w miejscach nasłonecznionych, by stworzyć w nich jak najkorzystniejsze warunki zamieszkania poprzez dogrzanie i zapobieżenie zawilgoceniu.  Budowano na zboczach nachylonych ku południowi, na polanach śródleśnych itp. Najlepszym przykładem może być Podhale charakteryzujące się surowym klimatem, wywierającym wpływ na ludowe budownictwo. Tradycyjne drewniane domy mieszkalne dłuższą ścianą zawsze zwrócone były na południe, okna także znajdowały się tylko na tej ścianie, niekiedy także na ścianie szczytowej (krótszej). Od strony północnej nie robiono okien. Stromy dach tych domów także miał między innymi znaczenie jako powierzchnia pochłaniająca ciepło. Na strychu dzięki temu było ciepło, co polepszało wentylację domu (dopóki domy nie posiadały przewodów kominowych, dym z paleniska ulatniał się na zewnątrz budynku przez strych).
Znacznie później zainteresowano się możliwością przetworzenia energii słonecznej bezpośrednio na energię elektryczną. Badania i prace wdrożeniowe nadal nie doprowadziły do opanowania technologii uzyskiwania energii elektrycznej  w dużej skali i w sposób opłacalny. Ogniwa fotoelektryczne jednak stosuje się coraz powszechniej tam, gdzie podłączenie energii z sieci byłoby kosztowne i skomplikowane. Energią z takich ogniw zasila się schroniska wysokogórskie, aparaty i urządzenia pomiarowe (np. w stacjach meteorologicznych), podświetlane znaki drogowe, światła nawigacyjne na morskich szlakach żeglugowych, telefony wzywania pomocy przy autostradach itp.

10.2 Niezbędne warunki środowiska geograficznego
 Możliwości wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania zależą od cech promieniowania słonecznego w danym terenie, co wynika przede wszystkim z położenia geograficznego.
 Intensywność nasłonecznienia mierzy się roczną gęstością strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą. W Polsce osiąga ona wartość 950 - 1250 kWh/m2. Największe wartości występują na Wybrzeżu, najmniejsze w dużych aglomeracjach miejskich, co związane jest z zanieczyszczeniem powietrza w tych rejonach .

 Usłonecznienie jest to liczba godzin słonecznych w ciągu roku w danym miejscu. Zależy ona od szerokości geograficznej oraz lokalnych warunków klimatycznych. Znów najwyższe wartości usłonecznienia obserwuje się nad morzem (powyżej 1600 godzin/rok), a najniższe na Górnym Śląsku (powyżej 1200 godzin/rok).
 Prócz  sumy godzin słonecznych istotne jest również rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku. Niestety, aż 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na okres od kwietnia do września i tylko pozostałe 20% przypada na okres pokrywający się z sezonem grzewczym. Ta niekoherentność ogranicza możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego do ogrzewania pomieszczeń.
 Zapotrzebowanie na ciepłą wodę występuje przez cały rok, chociaż wzmożone jej zużycie przypada na godziny wieczorne i poranne, podczas, gdy najmocniej Słońce świeci wczesnym popołudniem (około godz. 14-tej). Jednak tę skalę niekoherentności można ominąć magazynując ciepłą wodę w izolowanych termicznie, odpowiednio pojemnych zbiornikach

10.3 Techniczne uwarunkowania korzystania z ciepła słonecznego
 Promieniowanie docierające do powierzchni poziomej składa się z promieniowania bezpośredniego i rozproszonego (tzw. dyfuzyjnego). W warunkach polskich promieniowanie rozproszone w skali roku stanowi około 55%, w miesiącach letnich nawet 75%. Znacznie ogranicza to możliwości wykorzystania części typowych instalacji słonecznych. Nie opłacalne jest stosowanie urządzeń wykorzystujących jedynie promieniowanie bezpośrednie, w tym koncentratorów,  zwierciadeł itp. Płaskie cieczowe kolektory słoneczne są właściwym rozwiązaniem. Przy pochylaniu powierzchni od poziomu występuje dodatkowy składnik promieniowania słonecznego ? promieniowanie odbite. Płaskie kolektory słoneczne wykorzystują wszystkie trzy składniki promieniowania słonecznego.
Współcześnie energię promieniowania słonecznego wykorzystywane jest do:
§ wytwarzania ciepłej wody użytkowej (w kolektorach słonecznych niskotemperaturowych),
§ ogrzewania budynków systemem biernym (bez wymuszania obiegu nagrzanego powietrza, wody lub innego nośnika),
§ ogrzewania budynków systemem czynnym (z wymuszaniem obiegu nagrzanego nośnika),
§ ogrzewania obiektów przemysłowych,
§ ogrzewania basenów,
§ produkcji rolnej, ogrodnictwa, suszarnictwa itp.
  a także do:
§ wytwarzania pary wodnej (w koncentratorach, czyli kolektorach wysokotemperaturowych), która napędza turbiny w elektrowniach słonecznych,
§ uzyskiwania energii elektrycznej bezpośrednio z ogniw fotoelektrycznych.

W naszych warunkach geograficznych najbardziej zasadne jest wytwarzanie ciepłej wody użytkowej oraz bierne lub czynne ogrzewanie budynków.

Do wytwarzania ciepłej wody użytkowej i ogrzewania budynków stosuje się płaskie kolektory słoneczne. Są to najczęściej konstrukcje prostokątne, których podstawową częścią jest absorber. Zadaniem absorbera jest pochłanianie w jak największym stopniu energii promieniowania słonecznego. W prostych rozwiązaniach kolektory pokrywane są zwykłą czarną farbą, w miarę wzrostu ?wymagań? względem kolektorów stosuje się specjalne pokrycia selektywne dla absorbera. Zdolność absorbera do pochłaniania energii promieniowania słonecznego rośnie, a emisyjność (związana ze stratami) maleje. Kolektor posiada osłonę szklaną lub plastikową, ograniczającą straty do otoczenia.
Ciepło z absorbera odbierane jest przez wodę lub mieszankę niezamarzającą przepływającą systemem rurek i transportowane do zasobnika lub wprost do instalacji grzewczej. Zimą w naszych warunkach klimatycznych stosuje się wyłącznie płyn niezamarzający.
Urządzenia instalowane są poziomo lub ukośnie, najczęściej na wystawionej do słońca połaci dachu. Zwykle kolektor słoneczny współpracuje z innym źródłem ciepła, np. bojlerem elektrycznym lub gazowym i w razie niewystarczającej temperatury wody podawanej z kolektora automatycznie włączane jest dogrzewanie.

Prostych systemów słonecznych nie należy stosować do ogrzewania pomieszczeń. Znacznie lepiej systemy takie nadają się do wytwarzania ciepłej wody użytkowej. Szczegółowe badania dowodzą, że optymalne energetycznie i ekonomicznie jest takie wyposażenie budynku mieszkalnego, by na każdego użytkownika przypadało około 1.5 m2 powierzchni kolektora. Wtedy w skali roku nawet 60% energii wykorzystanej do wytworzenia ciepłej wody pochodzić może z kolektorów . Oczywiście w skład instalacji musi jeszcze wejść odpowiednio dobrany zasobnik wody ciepłej i inne elementy.

Jeżeli jednak kolektory słoneczne mają służyć do ogrzewania budynków, należy przewidywać 1 m2 kolektora na każde 3 do 5 m2 powierzchni obiektu. Ilość taka przy dobrze izolowanym budynku może całkowicie lub w znacznej części pokryć jego zapotrzebowanie w okresach przejściowych, tj. wiosną i jesienią.

 

 

 

 

Rysunek 11.
  Schemat wspomaganej elektrycznie instalacji słonecznej do wytwarzania ciepłej wody użytkowej.
 

Oznaczenia:
1. kolektor
2. rury
3. zbiornik na ciepłą wodę
4. wymiennik ciepła
5. grzałka elektryczna
6. pompa
7. sterownik automatyczny
8. termometr, manometr
9. zbiornik wyrównawczy
10. termometr
11. zawór zwrotny
12. odpowietrznik
 
Na zupełnie innej zasadzie opiera się bierne, czyli pasywne ogrzewanie budynków energią słoneczną. Najbliższe realizacji w większej skali wydają się być tzw. układy architektury słonecznej. Dzięki odpowiedniej konstrukcji bryły budynku i jego powłoki zewnętrznej operacja słoneczna znacznie zmniejsza straty cieplne pomieszczeń. Energia słoneczna może nawet być akumulowana w elementach konstrukcji i rozprowadzana po obiekcie.
Stosuje się w tym celu układy oszklonych przestrzeni buforowych, a zewnętrzne ściany wystawione do Słońca pełnią wówczas rolę kolektorów. Ściany wewnętrzne mogą pełnić funkcję akumulatorów ciepła. Ciepło rozprowadzane jest drogą swobodnej konwekcji powietrza, które  odbiera energię od elementów nagrzanych i transportuje do innych części budynku .

Klasycznym elementem architektury słonecznej jest tzw. ściana Trombe?a, która działa jak akumulator ciepła opływany krążącym powietrzem wentylacyjnym. W polskich warunkach można stosować znacznie zmodyfikowaną ścianę Trombe?a. Przepływ powietrza w kanałach powietrznych musi być wymuszany. Poszukiwane są inne rozwiązania techniczne, np. w celu polepszenia możliwości gromadzenia ciepła stosuje się na zewnątrz ściany układ rur zawierających substancję, która łatwo zmienia stan skupienia: topi się pochłaniając ciepło, następnie zaś krzepnie oddając energię. Akumulator rurowy także oddaje ciepło przepływającemu powietrzu .
 

W ostatnim okresie rozwój architektury słonecznej idzie w kierunku wykorzystywania tzw. izolacji transparentnych, którą pokrywa się zewnętrzne ściany budynku.  Odpowiedni materiał (aerożele, poliwęglanowe układy komórkowe) łatwo przepuszcza promieniowanie  słoneczne do wnętrza, zatrzymuje zaś ciepło uciekające. Dzięki temu energia promieniowania słonecznego nagrzewa ścianę, ta zaś oddaje ciepło do wnętrza budowli. Niestety, materiały te są obecnie jeszcze bardzo drogie.

 

 

 

Rysunek 12. Zasada działania biernego ogrzewania słonecznego typu "ściana Trombe'a".
Oznaczenia:
 1 - ściana magazynująca ciepło,
2 - podwójna szyba,
3 - szczelina wentylacyjna,
4 - ruchoma izolacja cieplna,
5 - otwory przelotowe,
6 - żaluzja,
7 , 8, 9, 10 - klapy regulacyjne
 

Próby wykorzystania promieniowania słonecznego do uzyskiwania energii elektrycznej w naszych warunkach opierają się na wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego. Skonstruowane z odpowiednich materiałów półprzewodnikowych (krzem monokrystaliczny, polikrystaliczny, amorficzny) ogniwa w wyniku naświetlania ich światłem wytwarzają energię elektryczną. Największe zastosowanie obecnie znajdują takie ogniwa w urządzeniach elektronicznych (np. kalkulatory) oraz wszędzie tam, gdzie doprowadzenie energii jest zbyt kosztowne. Jednak to źródło energii ze względu na wysokie koszty ogniw jeszcze długo pozostanie bez perspektyw szerokiego zastosowania. Zaznaczyć jednak warto, że sprawność ogniw fotowoltaicznych wynosi kilkanaście procent, w warunkach laboratoryjnych przekracza 20%. Nie jest to mało, jeśli zważyć, że bloki energetyczne w Polsce posiadaja sprawność rzędu 35%.

10.4 Możliwości rozwoju energetyki i ciepłownictwa słonecznego
Największe możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego tkwią w wytwarzaniu ciepłej wody użytkowej  i w architekturze słonecznej. Dlatego główne czynniki mające wpływ na ten rozwój mają techniczny charakter, Czynnik przyrodniczy dla dużych obszarów kraju jest bardzo podobny, chociaż niewątpliwie ze względu na wysokie zapylenie i słabszą przeźroczystość powietrza mniej zasadne jest instalowanie kolektorów słonecznych  na dachach budynków miast przemysłowych. Kolektory ponadto co jakiś czas wymagać będą czyszczenia.
Czynniki techniczne ulegają zmianom, doskonalone są materiały i technologie prowadzące do bardziej efektywnego przetwarzania promieniowania słonecznego w ciepło. Osobnym zagadnieniem jest projektowanie optymalnych instalacji hybrydowych, które wykorzystają cały dostępny potencjał energii słonecznej i tylko w sytuacji koniecznej uzupełnią zasilanie z innych źródeł energii.
Kolektory słoneczne z powodzeniem wykorzystywać można do podgrzewania niskotemperaturowego wody, mającej zastosowanie w ogrodnictwie, hodowli ryb i rekreacji (baseny pływackie).
Ze względu na powszechną dostępność źródła nie pojawiają się problemy prawne, natomiast czynniki ekonomiczne mają ścisły związek z czynnikami technicznymi.

10.5 Ośrodki
Badania nad wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego prowadzą:
§ Pracownia Energetyki Słonecznej oraz Laboratorium Badań i Modelowania Budynków Energooszczędnych - Centrum Helio-Ekostruktur Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie,
§ Pracownia Magazynowania Energii Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej
§ Zakład Fizyki Ciała Stałego PAN w Zabrzu
§ Wydziały  Budownictwa poszczególnych politechnik
§ Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie
§ Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku
§ Laboratorium Fotowoltaiczne PAN w Kozach k/Bielska Białej

---