Oparte o powietrzne kolektory słoneczne systemy solarnego podgrzewania powietrza (SPP) wykorzystują energię promieniowania słonecznego do podgrzewania powietrza. Ogrzane w ten sposób powietrze można wykorzystać do wentylacji budynku lub do procesów technologicznych, które wymagają ciepłego powietrza, np. do suszenia. Ponieważ słońce nie świeci przez cały czas jednakowo intensywnie, systemy solarnego podgrzewania powietrza zazwyczaj dostarczają jedynie pewną część energii. W ten sposób systemy te pozwalają zmniejszyć zapotrzebowanie na energię konwencjonalną pochodzącą np. z gazu ziemnego czy oleju opałowego, przez co generują znaczne oszczędności.  

Korzyści z solarnego podgrzewania powietrza nie dotyczą tylko tego procesu. Tego typu systemy solarne równocześnie zwiększają odporność budynku na warunki pogodowe.  

Kolektor słoneczny to zwykle pomalowana na ciemny kolor płyta stalowa lub aluminiowa, w której wykonano perforację w postaci bardzo drobnych, regularnie rozmieszczonych otworków. Woda, która może się przedostać przez te otworki, spływa po wewnętrznej powierzchni osłony i wypływa dołem. Nie wykonuje się szklenia płyty, a konstrukcja kolektora jest prosta i stabilna.

Częścią systemu solarnego podgrzewania powietrza jest też szczelina powietrzna pomiędzy osłoną zewnętrzną a ścianą budynku. Stanowi ona równocześnie dodatkową izolację budynku. Ponadto dzięki temu, że w szczelinie gromadzi się ogrzane ciepłem słonecznym powietrze, ciepło uchodzące przez ścianę budynku w większym stopniu podlega rekuperacji, niż ucieka na zewnątrz. Z tego względu systemy SPP zmniejszają straty ciepła przez ściany, na których są zainstalowane.

W budynkach przemysłowych o dużej kubaturze ciepłe powietrze często gromadzi się pod stropem, a poniżej zalegają kolejne, coraz chłodniejsze warstwy (stratyfikacja). Tam, gdzie występuje takie zjawisko, dochodzi do strat ciepła przez dach budynku, a równocześnie osoby pracujące na poziomie podłogi odczuwają chłód. Solarny układ podgrzewania powietrza może wykorzystać ciepło nagromadzone pod stropem i ograniczyć zjawisko stratyfikacji.   Dodatkowo w wielu budynkach obserwuje się niekorzystne zjawisko podciśnienia, co wynika z tego, że układy wentylacji wyprowadzają więcej powietrza, niż dopływa go przez wloty. Rezultatem tego jest infiltracja zimnego powietrza i powstawanie przeciągów i przewiewów w korytarzach. Solarne podgrzewanie może wyeliminować ten problem.  

W budynkach biurowych system solarnego podgrzewania powietrza zwykle nie wymaga instalacji dodatkowych wentylatorów i kanałów wentylacyjnych. Sklepienie ponad kolektorem solarnym jest połączone kanałem bezpośrednio z wlotu powietrza układu konwencjonalnego. Powietrze o stałym przepływie jest zasysane poprzez kolektor. W rezultacie podnosi się temperatura powietrza wpływającego do wlotu, dzięki czemu zmniejsza się zapotrzebowanie na ciepło z ogrzewania konwencjonalnego, wykorzystywane do podwyższenia temperatury do poziomu zapewniającego komfort użytkownikom budynku. Zastosowanie SPP wiąże się zatem z niskim kosztem samego urządzenia (systemu) i kosztami materiałowymi, a układ można łatwo zintegrować z konwencjonalnymi układami wentylacyjnymi.  

Solarne podgrzewanie powietrza ma sens tylko wówczas, gdy ciepło jest generowane wtedy, kiedy jest faktycznie potrzebne. Z tego względu niektóre osoby wątpią w użyteczność tej techniki, ponieważ zakładają, że ciepło jest potrzebne zimą, a wtedy światło słoneczne jest mniej dostępne. Jednak jak pokazała praktyka, nawet niewiele słońca może znacznie ograniczyć ilość energii potrzebnej do podgrzania powietrza wentylacyjnego, także w warunkach polskich.  

Solarne podgrzewanie powietrza jest najbardziej efektywne, kiedy instaluje się je w nowym budynku. Dzięki temu kolektor zastępuje niektóre formy wykańczania budynku, redukując w ten sposób koszty netto samego systemu. Ponadto układ wentylacyjny budynku można zaprojektować i zainstalować tak, aby był zgodny z systemem solarnym, przez co unika się budowy dodatkowych kanałów powietrza i wentylatorów.  

Następnym wyjątkowo efektywnym zastosowaniem SPP jest modernizacja spowodowana potrzebą renowacji lub naprawy istniejącej ściany zewnętrznej, poprawy jakości powietrza wewnątrz budynku lub wyeliminowania problemów z podciśnieniem. W takiej sytuacji koszt systemu solarnego zastąpi niektóre koszty renowacji zewnętrznej, ale może to wymagać niewielkich modyfikacji istniejącego układu wentylacji. Jeśli koszt energii jest wysoki, solarne podgrzewanie powietrza może być korzystne finansowo jako składnik modernizacji lub jako źródło ciepła procesowego tylko dzięki wnoszonym korzyściom energetycznym.  

Kolor czarny absorbuje więcej energii słonecznej niż inne kolory, ale nie zawsze stanowi on najlepszy wybór w przypadku kolektora słonecznego. Większość ciemnych kolorów może przetworzyć na ciepło od 80 do 95% padającej na nie energii słonecznej, tak że zamiana koloru czarnego na inny ciemny zmniejsza wydajność kolektora najwyżej o 15%. W związku z tym względy architektoniczne są często bardziej istotne niż niewielka poprawa działania kolektora, jaką zapewniłby kolor czarny.  

Kiedy w budynku nie przebywają ludzie, zapotrzebowanie na wentylację i podgrzewanie powietrza energią słoneczną maleje. To powoduje, że solarne podgrzewanie powietrza jest bardziej konkurencyjne wówczas, gdy w budynku jego użytkownicy przebywają przez całą dobę, również w weekendy i wakacje.   Kolektor słoneczny najłatwiej jest zainstalować na ścianie, w której nie ma okien ani drzwi przechodzących przez kolektor, ale jeśli jest to konieczne, można go zamontować i w innej sytuacji.  

Systemy solarnego podgrzewania powietrza generują małe koszty utrzymania lub nie generują ich wcale.

Zabrudzenia nie zmniejszają znacząco jego sprawności. Pyłki roślinne, kurz ani śnieg nie zatykają perforacji, a natężenie przepływu powietrza jest zbyt małe, aby spowodować ich zasysanie w kierunku ściany budynku. Przepływ ciepłego powietrza osusza przestrzeń poza kolektorem, dzięki czemu staje się ona nieprzyjazna dla insektów. Każdy z tych względów jest istotny z punktu widzenia właścicieli i projektantów budynków, którzy rozważają zastosowanie podgrzewania powietrza energią słoneczną.   

Wodne kolektory słoneczne

W Polsce stosuje się dwa główne typy kolektorów, mianowicie kolektory płaskie i rurowe (próżniowe). Oba typy różnią się oczywiście budową, co z kolei ma wpływ na ich sprawność oraz - jak to zwykle bywa - na cenę. Kolektory próżniowe charakteryzują się wyższą niż kolektory płaskie sprawnością. Dodatkowo można je montować na powierzchniach pionowych (np. na ścianie budynku) lub płasko na powierzchniach poziomych (np. na dachu). Jeśli się bierze pod uwagę kolektory płaskie, to trzeba wiedzieć, że w naszej szerokości geograficznej należy je montować z kątem pochylenia wynoszącym od 35° do 45°. Wszystkie rodzaje kolektorów trzeba montować od strony południowej, gdzie nasłonecznienie jest największe.  

Zasada działania układu kolektorów słonecznych jest stosunkowo prosta. Słońce ogrzewa absorber kolektora i krążący w nim nośnik ciepła, którym zazwyczaj jest mieszanina wody i glikolu. Nośnik ciepła za pomocą pompy obiegowej (rzadziej grawitacyjnie) jest transportowany do dolnego wymiennika ciepła, gdzie przekazuje swoją energię cieplną wodzie.  

Regulator solarny włącza pompę obiegową, gdy temperatura w kolektorze jest wyższa od temperatury w dolnym wymienniku. W praktyce przyjmuje się, że opłacalny uzysk energii słonecznej jest możliwy przy różnicy temperatur powyżej 3 K. Gdy różnica ta będzie mniejsza, może się okazać, że energia elektryczna zużyta na pracę pompki obiegowej przewyższa wartością uzyskaną energię słoneczną. Gdy promieniowanie słoneczne nie wystarcza do nagrzania wody do wymaganej temperatury, wówczas musimy ją dogrzać, wykorzystując konwencjonalne źródła energii. Przypadek ten pokazuje jedną z głównych wad układów wykorzystujących energię słoneczną, a mianowicie ich dużą zależność od zmiennych warunków pogodowych, co sprawia, że konieczne jest równoległe stosowanie układów opartych o energię konwencjonalną, które będą mogły wspomagać oraz w razie konieczności zastąpić energię słoneczną. Ponadto dla optymalnego wykorzystania energii słonecznej powinno się stosować podgrzewacze zasobnikowe do magazynowania energii.

Drugą i zdaje się, ostatnią wadą stosowania systemów solarnych jest ich cena. Niestety, koszt kompletnej instalacji wraz z montażem jest duży w porównaniu z możliwościami budżetowymi polskich gospodarstw domowych oraz miast i gmin, do których należą budynki użyteczności publicznej. Koszt jednostkowy kolektora płaskiego w zależności od producenta wynosi od 700 do 1200 zł/m² , a kolektory próżniowe są dwukrotnie droższe. Do tego dochodzą koszty zakupu zasobnika wody, regulatora, instalacji, pompki obiegowej, konstrukcji do montażu kolektora itp.   Zdecydowanie korzystniej wyglądają koszty samej eksploatacji instalacji solarnej. Praktycznie oprócz opłat za energię elektryczną zużywaną przez pompkę obiegową o niewielkiej mocy (80-360 W) użytkownik nie ponosi żadnych dodatkowych kosztów. Obecnie producenci kolektorów deklarują ich żywotność na ponad 20 lat, więc w przypadku odpowiednio dobranej instalacji możliwy jest zwrot poniesionych nakładów inwestycyjnych z oszczędności kosztów energii. Odpowiedni dobór powierzchni kolektorów zależy od indywidualnych potrzeb energetycznych budynku, jednak istnieją pewne ogólne zasady doboru tego typu urządzeń. I tak za racjonalną uznaje się instalację kolektorów słonecznych, która pokrywa około 60% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz do 30% zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Dogrzewanie pomieszczeń z zastosowaniem układów solarnych jest najbardziej wydajne w okresach przejściowych: marzec-kwiecień i wrzesień-październik. Przyjmuje się, że potrzeba średnio 1 m² kolektora słonecznego na 10 m² powierzchni ogrzewanej.

Coraz częściej można też spotkać instalacje solarne wykorzystywane do ogrzewania wody basenowej. W okresie od czerwca do sierpnia utrzymanie temperatury wody na poziomie 23-24°C wymaga zainstalowania 0,4-0,6 m² kolektora na m² basenu.   Podstawowym powodem stosowania kolektorów słonecznych na całym świecie jest ich wpływ, a może raczej brak ich wpływu na środowisko naturalne. W porównaniu z nowoczesnym kotłem grzewczym już 4 m² powierzchni kolektorów słonecznych zmniejszają o jedną tonę emisję dwutlenku węgla do atmosfery!   Głównym warunkiem opłacalności stosowania kolektorów słonecznych jest odbiór i zagospodarowanie wytworzonego ciepła. Dlatego też najlepiej nadają się do tego obiekty o dużym i ciągłym zużyciu ciepłej wody.  

Kolektory słoneczne można montować, w zależności od warunków budowlanych, na dachu domu, ustawić na dachu płaskim albo założyć na fasadzie budynku. Producenci mają bogatą ofertę wyposażenia dodatkowego, które dopuszcza realizację każdej z wymienionych wyżej możliwości.  

Ogniwa fotowoltaiczne (PV)

Na pierwszy rzut oka ogniwa fotowoltaiczne zamontowane na dachu budynku trudno odróżnić od płaskich kolektorów słonecznych. Ogniwa te, nazywane bateriami słonecznymi, służą, jak już wspomniano, do zamiany promieniowania słonecznego w energię elektryczną, a nie w ciepło, jak to ma miejsce w przypadku kolektorów.

Ogniwo fotowoltaiczne to układ fotoogniw wykonanych z półprzewodnika, zazwyczaj krzemu. Pod wpływem padającego na nie światła słonecznego w ogniwie powstaje napięcie elektryczne, a po podłączeniu odbiornika zaczyna płynąć prąd.  

Aby uzyskać odpowiednio wysokie napięcie, ogniwa łączy się szeregowo, natomiast do zwiększenia mocy baterii ogniwa łączy się równolegle. Wiele połączonych ze sobą ogniw tworzy tzw. panel.   Systemy fotowoltaiczne mają kilka cech, które dla wielu użytkowników są równie ważne, jak zdolność tych systemów do generowania energii elektrycznej.   

Po pierwsze, niezawodność Moduły fotowoltaiczne należą do najbardziej niezawodnych źródeł energii elektrycznej, jakie kiedykolwiek wyprodukowano. Nie zawierają ruchomych części i mogą przez dziesięciolecia funkcjonować bez interwencji ze strony człowieka. Jest to najbardziej brana pod uwagę cecha, gdyż doświadczenie techniczne i infrastruktura potrzebne do obsługi skomplikowanych systemów elektroenergetycznych są tak drogie, że wielu właścicieli systemu nie byłoby w stanie zapłacić za naprawy. A przecież systemy fotowoltaiczne są zlokalizowane nie tylko w krajach rozwijających się. Znajdują się one nawet w przestrzeni okołoziemskiej (satelity i sondy kosmiczne, które przyczyniły się do rozwoju technologii fotowoltaicznych).  

Po drugie, prostota

Systemy PV zawierają niewiele elementów składowych i są bardzo proste w eksploatacji i utrzymaniu. Dzięki temu mogą być wykorzystywane przez ludzi, którzy prawdopodobnie nie mają umiejętności i wiedzy niezbędnych do eksploatowania generatora napędzanego paliwem kopalnym.  

Po trzecie, modularność

Moc elektryczna dostarczana przez ogniwa fotowoltaiczne, przy pewnych warunkach nasłonecznienia, w znacznym stopniu zależy od wielkości i liczby modułów zainstalowanych w systemie. Po dołożeniu dodatkowych modułów osiąga się większą moc. Pozwala to na łatwe skalowanie systemu i dopasowanie go do potrzeb mocy lub dostępności środków inwestycyjnych. Na przykład, jeśli w gospodarstwie planuje się zakup komputera za dwa lata, to użytkownicy będą mogli zwiększyć moc systemu dopiero wtedy, gdy zapotrzebowanie wzrośnie. Nie będą zmuszeni do znalezienia niezbędnych pieniędzy już teraz, żeby z góry zapłacić za jeszcze niepotrzebnie przewymiarowany system.  

Po czwarte, „image"

Niewiele systemów energetycznych przykuwa wyobraźnię tak, jak systemy PV. W świecie krajów rozwiniętych mają one „image" urządzeń hi-tech i ekologicznych, a w krajach rozwijających się PV może się stać symbolem nowoczesności, który zmniejsza złudną atrakcyjność dużych miast.  

Po piąte, bezgłośna praca

Systemy PV wytwarzają energię elektryczną w absolutnej ciszy. Są zatem zbawienne dla ludzi, którzy w przeciwnym razie musieliby żyć lub pracować blisko generatora zasilanego olejem lub benzyną. Systemy PV wytwarzają prąd stały, dlatego układy z ogniwami fotowoltaicznymi często zawierają podzespoły, które przetwarzają go na prąd przemienny.   Ponieważ moduł PV dostarcza niewiele energii w okresach zachmurzenia i nie daje jej w nocy, niepołączone z siecią energetyczną systemy fotowoltaiczne muszą magazynować nadmiarową energię, generowaną w okresach słonecznych. Funkcję tę spełnia bateria akumulatorów lub, w przypadku systemów pompowania wody, zbiornik magazynowy wody. Około 90% akumulatorów stosowanych w systemach fotowoltaicznych stanowią akumulatory kwasowo-ołowiowe. O ile taki akumulator jest stosunkowo tani i powszechnie stosowany, o tyle nie jest tak trwały, jak moduł fotowoltaiczny i wymaga nieco obsługi, takiej jak uzupełnianie wody traconej w czasie jego użytkowania.    

Obecnie na rynku istnieje bogata oferta paneli różnej wielkości i mocy. Dostępne są także panele zintegrowane z pokryciem dachowym lub fasadą budynku, a nawet półprzezroczyste moduły, które można montować w oknach.   Systemy PV instalowane na dachach domów mogą mieć moc rzędu kilku kilowatów. Teoretycznie jest więc możliwe zasilanie z nich wszystkich elektrycznych urządzeń domowych. Jednak w naszej szerokości geograficznej ilość i zmiany promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi powodują, że systemy te nie w każdych warunkach zapewnią całkowite pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną.

Rozwiązaniem tego problemu może być wielokrotne zwiększenie mocy baterii, jednak wiąże się to również ze zwiększeniem powierzchni ogniwa fotowoltaicznego, a co za tym idzie, znacznym zwiększeniem kosztów takiej instalacji.

Aby zasilić z ogniw fotowoltaicznych komputer pracujący przez 8 h dziennie, powierzchnia zestawu modułów fotowoltaicznych musiałaby wynosić blisko 40 m². Tak duża powierzchnia wynika z tego, że aby zapewnić pracę komputera w nocy i w okresach gorszej pogody, należy zakumulować odpowiednią ilość energii w ciągu dnia. To jest w stanie zapewnić tylko duża powierzchnia baterii słonecznych. Nieco lepiej wygląda sprawa z odbiornikami energii małej mocy (kilka W mocy). Na przykładzie sygnalizacji świetlnej widać, że już ok. 1 m² powierzchni fotoogniwa w połączeniu z niewielkim akumulatorem zapewni ciągłą pracę sygnalizacji w dzień i w nocy.

Z opisanych powyżej powodów ogniwa fotowoltaiczne nie są stosowane do zasilania większych odbiorników jako jedyne źródło energii elektrycznej w budynku. Zwykle stosuje się je w połączeniu z generatorami spalinowymi, gazowymi czy wiatrowymi. W takim przypadku mówimy o układach hybrydowych. Wymagają one nieco bardziej skomplikowanego systemu kontroli i regulacji niż układy wolno stojące.

Ich eksploatacja praktycznie nic nie kosztuje, jednak cena kompletnego systemu PV, w którego skład obok ogniw wchodzą akumulatory, regulatory sterujące procesem ich ładowania i rozładowania, regulator napięcia oraz falownik zamieniający wytwarzany przez baterie prąd stały na przemienny, jest bardzo wysoka. Koszt takiej małej elektrowni słonecznej o mocy ponad 5 kW to obecnie wydatek znacznie przekraczający 100 tys. zł.  

Jest jednak szansa na znaczną poprawę konkurencyjności tej branży. Rozwój technologii produkcji ogniw fotowoltaicznych postępuje bardzo dynamicznie i uzyskiwane są coraz lepsze ich osiągi przy jednoczesnym ograniczeniu ich kosztu, co w niedługim czasie może spowodować ogromny wzrost popularności tych urządzeń.

Mariusz Bogacki

Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii

www.fewe.pl

Artykuł został opracowany na podstawie publikacji Efektywne wykorzystanie energii w firmie wydanej przez ośrodek Enterprise Europe Network działający przy Polskiej Agencji Rozwoju Przedsiębiorczości.  

Wersja elektroniczna publikacji jest dostępna na stronie www.een.org.pl, a wersję papierowa można otrzymać po przesłaniu danych teleadresowych na adres poczty elektronicznej: biuletyn_ei@parp.gov.p.

Artykuł pochodzi z czerwcowego Biuletynu Euro Info 2010.

Jeśli widzisz błąd w artykule, prosimy o e-mail'a na adres een (at) parp.gov.pl