Energia słońca

 

Energia promieniowania słonecznego stanowi największe źródło energii, którym dysponuje człowiek. Dużym problemem nie jest pozyskanie tej energii lecz jej zmagazynowanie i wykorzystanie we właściwym czasie. Cały czas trwają pracę nad lepszym wykorzystaniem energii słońca. Potencjał teoretyczny promieniowania słonecznego w Polsce szacuje się na 3,3 do 4 GJ/m2 rocznie. Oznacza to 1,1 x 106 PJ rocznie w przeliczeniu na powierzchnię kraju, głównie od kwietnia do września - około 80% W Polsce występują średnie warunki nasłonecznienia. W porównaniu z Włochami mamy ponad 60% mniej słońca rocznie. Jednak z opracowanej dla Polski mapy zasobów energii słonecznej wynika, że najlepsze warunki występują we wschodniej części Polski.

Energia słoneczna może być przetwarzana na prąd i ciepło przez instalacje zamontowane na dachach budynków i w miejscach zabudowanych. Takie warunki występują na około 0,5% powierzchni Polski.
Promieniowanie słoneczne jest wykorzystywane głównie w rolnictwie, ciepłownictwie (cieplne kolektory słoneczne) oraz elektroenergetyce (ogniwa fotowoltaiczne). Jednakże największe szanse rozwoju w krótkim okresie mają technologie oparte na wykorzystaniu kolektorów słonecznych.
Do przetwarzania promieniowania słonecznego w użytkową energię cieplną służą między innymi kolektory słoneczne wytwarzane i użytkowane już dziś na całym świecie w dość dużych ilościach. Są to urządzenia wychwytujące energię słoneczną i zamieniające na energię cieplną. Zazwyczaj instalowane są w dachach. Istnieje możliwość montażu na ścianie południowej budynku na specjalnie przygotowanym stelażu lub na ziemi. Przy wyborze miejsca należy pamiętać, że musi ono zapewniać jak najdłuższe operowanie słońca na płytę kolektora. Płaszczyzna kolektora powinna być skierowana w kierunku południowym. Optymalny kont nachylenia kolektora do poziomu wynosi 45°. Kolektory są najczęściej stosowane do podgrzewania wody użytkowej, w basenach, rzadziej zaś jako ogrzewanie domów. Różne przeprowadzane w Polsce analizy wykazały, że można zaoszczędzić około 70% energii konwencjonalnej w procesach przygotowywania ciepłej wody użytkowej i około 20% w procesach ogrzewania pomieszczeń.

Kolektory słoneczne

 

Na początek kilka słów wyjaśnienia czym jest kolektor słoneczny. Kolektor słoneczny to urządzenie zamieniające energię słoneczną na energię cieplną. Najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Istnieją również tubowe kolektory próżniowe, które posiadają wyższą sprawność przetwarzania energii, jednak są droższe.

Jeśli chce się energię ze Słońca pozyskiwać bezpośrednio za pomocą kolektorów słonecznych, to trzeba pogodzić się z myślą, że słońce nie daje tyle ciepła ile nam potrzeba. Na pewno w ten sposób nie można zapewnić ciągłości i równomierności ogrzewania. Pewnym rozwiązaniem niwelującym te niedogodności są zasobniki z wodą, w których to ciepło może być gromadzone, jednak nie jest ono doskonałe, ponieważ nie jest w stanie pokryć w całości potrzeb w zakresie przygotowania ciepłej wody użytkowej, nie mówiąc już o ogrzewaniu pomieszczeń. Mimo to, kolektory słoneczne zyskują coraz więcej zwolenników. Jednak stanowić one będą zawsze tylko rozwiązanie uzupełniające.

 

Zasoby energii słonecznej w Polsce

W Polsce pogoda jest kapryśna a ilość dni słonecznych w roku zmienna, dlatego trudno jest podać formułę na ilość dostępnej energii. Najlepiej w takim przypadku posłużyć się statystyką, która mówi, że najlepsze i najsprawniejsze kolektory słoneczne są w stanie dostarczyć rocznie z każdego metra kwadratowego powierzchni czynnej około 450 kWh energii. Jest to granica wyznaczona przez prawa fizyki i pogodę w naszej strefie klimatycznej.

 

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. Poniższa mapa prezentuje rozkład średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok (wielkości wskazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w ciągu roku dla wskazanych rejonów kraju).

 

Istotny wpływ na wielkość pozyskiwanej energii ma kąt nachylenia kolektora w stosunku do padania promieni słonecznych. W poniższej tabeli przedstawiono optymalne wartości kątów dla ekspozycji południowej według kryterium maksymalizacji energii promieniowania całkowitego.

 

Źródło: Europejskie Centrum Energii Odnawialnej

 

miesiące	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
kąt nachylenia względem poziomu	60	55	45	30	15	10	15	30	45	55	65	65

Źródło: www.ekologika.pl

 

W naszej szerokości geograficznej Słońce oferuje około 1000 Watów mocy na każdy metr kwadratowy napromieniowanej powierzchni. Niezależnie od jakości kolektora może on pobrać tylko pewną jej część. Wynika to z faktu, że nagrzany przez słońce kolektor tym więcej traci do otoczenia im jego temperatura jest wyższa od temperatury otaczającego go powietrza.

Na przykład, w piękny słoneczny dzień kolektor może z łatwością nagrzać się do temperatury +100°C. Lecz jeśli rzecz się dzieje na przykład zimą, gdy temperatura powietrza wynosi 0°C, to w takim wypadku różnica temperatur kolektor - otoczenie wyniesie 100 stopni Celsjusza (lub jak kto woli 100K) i zgodnie z przedstawioną na wykresie zależnością sprawność absorpcji spadnie do 30% dla zwykłego kolektora płaskiego, natomiast dla próżniowego wyniesie ona 45%. Tłumacząc procenty na moce otrzymamy odpowiednio z dostarczanych w piękny słoneczny dzień 1000W - w pierwszym przypadku 350W, a w drugim 450W. Jednak nie znaczy to, że ta moc cieplna zostanie w całości wykorzystana. Po drodze jeszcze traci się od 7 do 10 % z powodu strat przy przesyłaniu ciepła. Pozostała wielkość ciepła i tak jest warta wykorzystania.

 

 

Zalecenia montażowe

W celu optymalnego wykorzystania kolektor powinien być ustawiony prostopadle do padania promieni słonecznych. Ponieważ najintensywniejsze promieniowanie występuje w godzinach południowych, dlatego płaszczyzna kolektora powinna być skierowana w kierunku południowym, zaś kąt nachylenia (kąt pomiędzy poziomem a płaszczyzną kolektora) powinien znajdować się w przedziale 30° a 45°.

Kolektory słoneczne montuje się zazwyczaj na dachach domów, rzadziej na ścianach, zaś służące do podgrzewania wody w basenach - na ziemnych konstrukcjach.

Zastosowanie

Kolektory słoneczne są stosowane przede wszystkim do ogrzewania wody, idealnie nadają się do domków letniskowych, gdzie ciepła woda jest potrzebna wtedy, gdy słońce dostarcza najwięcej energii. Często wykorzystuje je się do ogrzewania basenów. Ponadto, mogą być stosowane w domach jednorodzinnych całorocznych jako rozwiązanie uzupełniające podstawowy system grzewczy np. pompy ciepła, ogrzewanie elektryczne.