kordi's Blog

Dlaczego warto mieć kolektory? Jak efektywnie wykorzystać energię słoneczną?

Czy Twój dom jest energooszczędny? Ile można zyskać na montażu kolektorów?

Dlaczego warto mieć kolektory?

Kolektor słoneczny – urządzenie do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia docierająca do kolektora zamieniana jest na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).Spis treści [ukryj]

1 Podział

2 Budowa kolektora płaskiego

3 Budowa kolektora próżniowo-rurowego

4 Kolektory skupiające

5 Sprawność kolektora

6 Popularne zastosowania

Podział

Kolektor płaski ze zbiornikiem do ciepłej wody na dachu domu

Schemat kolektora płaskiego

Kolektory można podzielić na:

płaskie

gazowe

cieczowe

dwufazowe

płaskie próżniowe

próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury)

skupiające (prawie zawsze cieczowe)

specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna)

Budowa kolektora płaskiego [edytuj]

Kolektor płaski składa się z:

przezroczystego pokrycia;

absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną);

wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera);

izolacji (przeważnie wełna mineralna lub pianka poliuretanowa)

Budowa kolektora próżniowo-rurowego.

Kolektor Próżniowy ze zwierciadłem doświetlającym

Kolektor próżniowo-rurowy składa się z:

rur próżniowych w których element zbierający ciepło tzw. absorber znajduje się w próżni co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych takich na jakiej znajduje się Polska. Absorpcja ciepła słonecznego nie jest wówczas uzależniona w tak znaczącym stopniu od temperatury zewnętrznej , dzięki czemu stosując panel tego typu możemy liczyć na znaczne zyski ciepła w instalacji nawet w mroźne zimowe słoneczne dni.

niektóre z kolektorów posiadają zwierciadło dodatkowo doświetlające absorber ze strony odsłonecznej, jest ono wykonane poza rurkami , bądź naniesione na rurkę próżniową w postaci lustra.

kolektory skupiające

W kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji.

Sprawność kolektora

Zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur a sprawnością

Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora. Sprawność kolektora płaskiego znacznie spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem. Z tego powodu w naszej strefie klimatycznej powinno się stosować kolektory próżniowe w wypadku których wpływ temperatury otoczenia na sprawność jest minimalny.

Wykres obok przedstawia zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur (różnica średniej temperatury czynnika i temperatury otoczenia podzielona przez gęstością promieniowania słonecznego) a sprawnością kolektora płaskiego.

Popularne zastosowania [edytuj]

Schemat prostej instalacji do podgrzewania cwu.

Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do:

podgrzewania wody użytkowej,

podgrzewanie wody basenowej,

wspomagania centralnego ogrzewania,

chłodzenia budynków,

ciepła technologicznego.

Do celów tych służą cieczowe kolektory płaskie i próżniowe. Schemat prostej instalacji do podgrzewania ciepłej wody użytkowej zawiera:

kolektory słoneczne (w domkach jednorodzinnych od dwóch do czterech),

regulator (uruchamiający pompę obiegu gdy zaistnieje odpowiednia różnica temperatur pomiędzy wyjściem z kolektora a zbiornikiem),

pompę,

naczynie przeponowe (kompensujące rozszerzalność temperaturową czynnika),

zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową, z dwiema wężownicami lub płaszczami grzejnymi (dolna zasilana czynnikiem z kolektorów słonecznych, górna innym źródłem ciepła),

inne źródło ciepła (kocioł, pompa ciepła, kominek z płaszczem wodnym).

Jak efektywnie wykorzystać energię słoneczną?

Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych.

Obecnie całkowity koszt wytworzenia określonej ilości energii elektrycznej przy użyciu fotoogniw (uwzględniający ich cenę, i szacowany okres pracy) jest o rząd wielkości wyższy, niż w przypadku energii jądrowej[2]. Mimo to, stosowanie fotoogniw staje się opłacalne w miejscach trudno dostępnych, o ile zapotrzebowanie na moc elektryczną jest niewielkie (pojedynczy dom), zaś odległość od najbliższej linii energetycznej jest większa niż kilka km lub też budowa nowej linii jest utrudniona z powodu ukształtowania terenu.

Zaletą fotoogniw, istotnie wpływającą na obszar ich zastosowań, jest w przybliżeniu liniowa proporcjonalność mocy ogniwa do jego ceny[3]. Dzięki temu, ogniwa słoneczne mogą być tanim źródłem energii dla przenośnych urządzeń małej mocy: kalkulatorów, zegarków i lamp (wyposażonych w akumulatory magazynujące energię zgromadzoną w ciągu dnia). Są również niezastąpione w przestrzeni kosmicznej, gdyż każdy inny sposób wytwarzania energii wymagałby transportu paliw, zaś energia słoneczna jest stale dostępna.

W niektórych miejscach na świecie, ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są do zasilania automatów telefonicznych (o ile nie są do nich doprowadzone przewody) oraz aktywowanych ruchem kamer (na przykład monitorujących zwierzęta) lub urządzeń pomiarowych (na przykład w meteorologii). O możliwości zasilania z niewielkich fotoogniw decyduje w tych przypadkach krótki czas zapotrzebowania na energię (w trakcie rozmowy telefonicznej, przeprowadzania pomiaru lub nawiązania łączności) w porównaniu z długimi okresami czuwania, w których pobór energii jest znikomy.

W karawaningu, umieszczenie panelu fotoogniw na dachu wozu kempingowego pozwala na doładowywanie akumulatora pomimo korzystania z zasilanych z niego odbiorników energii, takich, jak radioodbiorniki lub telewizory przenośne. W podobny sposób stosuje się fotoogniwa w żeglarstwie, gdzie akumulator jest niezbędny do zasilania urządzeń nawigacyjnych i radiokomunikacyjnych (zwłaszcza na jachtach pełnomorskich).

Wzrost sprawności i spadek ceny fotoogniw może pozwolić na ich zastosowanie w transporcie lądowym (wiele eksperymentalnych konstrukcji samochodów słonecznych różnych firm) a nawet lotniczym. W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche, wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny.

Ogniwa polimerowe.

W przyszłości mają być dużo tańsze od ogniw krzemowych, a ich produkcja ma być mniej skomplikowana. Prace nad tą metodą produkcji paneli słonecznych prowadził m.in. New Jersey Institute of Technology. Ogniwa te składają się z nanorurek, pokrywa się je następnie warstwą zabezpieczającą.

Konwersja fototermiczna.

Kolektory słoneczne do ogrzewania wody w Grecji

Schemat słonecznej instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej

A -Kolektor słoneczny,

B- pompa,

C- grzejnik pomocniczy,

D- ciepła woda użytkowa,

E – woda powrotna.

Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe'a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym, a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody[5] oraz przy suszeniu płodów rolnych.

Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m² kolektorów słonecznych) jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m²) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.

Metody będące w trakcie badań [edytuj]

Konwersja fotochemiczna [edytuj]

Osobny artykuł: Sztuczna fotosynteza.

Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego.

Termoliza wody [edytuj]

W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi efuzja możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie wirówek. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń ich szybkie zużywanie i małą sprawność.

Elektrownie słoneczne

Elektrownia słoneczna o mocy 10 kW z zainstalowanymi silnikami Stirlinga

Elektrownie słoneczne (helioelektrownie) mogą opierać się na różnych, wyżej opisanych procesach konwersji energii. Można tego dokonać:

bezpośrednio w ogniwie fotowoltaicznym,

pośrednio przetwarzając promieniowanie słoneczne na ciepło, a ciepło na energię elektryczną,

CRS (ang. Central Receiver System) polega na odbiciu promieni słonecznych z dużego obszaru i skierowaniu ich w jeden centralnie umieszczony punkt, gdzie można osiągnąć bardzo wysoką temperaturę. Na tej samej zasadzie działają piece słoneczne,

DSS (ang. Distributed Solar System) tu promienie są kierowane (najczęściej za pomocą kolektorów parabolicznych) na rurę, w której płynie czynnik (najczęściej olej o małej lepkości i dużej pojemności cieplnej). Czynnik przepływając przez wiele kolektorów osiąga dość wysoką, choć dużo niższą (poniżej 400 °C) niż w systemach CRS, temperaturę,

Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem. W trakcie realizacji (2005 r.) jest projekt, w którym wysokość wieży wyniesie 1000 m.

Czy Twój dom jest energooszczędny?.

Dom energooszczędny (low-energy house - LEH) to budynek, w którym roczne zapotrzebowanie na ciepło jest niższe od 70 kWh/(m2a). Kluczowymi cechami takich domów są dobra izolacja cieplna, zredukowane mostki cieplne, szczelnoć i kontrolowana wentylacja.

Ile można zyskać na montażu kolektorów?Kolektory słoneczne można instalować praktycznie wszędzie, w dowolnej konfiguracji. Mogą być instalowane zarówno na dachu, na ścianie budynku lub na ziemi - na stojaku.

Aby jednak otrzymać najlepsze efekty, warto trzymać się następujących wskazówek:

Kolektory słoneczne powinny być zwrócone stroną szklaną na południe.

Kolektory słoneczne powinny być pochylone o około 45 stopni względem poziomu jest to kąt idealny przy wykorzystywaniu kolektora słonecznego od lutego do listopada.

Jeżeli kolektory słoneczne mają być używane tylko w miesiącach letnich (np. do ogrzewania wody w basenie lub w domku letniskowym), należy je zainstalować pod kątem 30 stopni.

Kolektory słoneczne należy instalować w miejscu, które nie jest zacienione przez drzewa, krzaki, trawę, itp.

Kolektory słoneczne montuje się na konstrukcji spodniej dobranej odpowiednio w zależności od kąta nachylenia dachu. Zazwyczaj kolektory montuje się przy pomocy haków przytwierdzanych do krokwi. W takim wypadku kolektory zamontowane są tuż nad powierzchnią pokrycia dachowego. Na rynku dostępne są też kolektory połaciowe. Są one wbudowane w połać dachu i w miejscu, w którym są zamontowane zastępują pokrycie dachowe.

Standardowa konstrukcja spodnia przeznaczona jest do montażu na dachu o nachyleniu od 30 do 60 stopni. Jeżeli kąt nachylenia dachu jest inny, stosuje się konstrukcję korygującą. Przy montażu kolektorów na ziemi, stosuje się odpowiednią konstrukcję oraz obciążniki, które zabezpieczą system przed działaniem silnych wiatrów.