Podstawy ochrony środowiska Kolektory ciepła słonecznego



Pobieranie 42.51 Kb.
Data06.05.2016
Rozmiar42.51 Kb.



Podstawy ochrony środowiska



Kolektory ciepła słonecznego



Wykaz haseł:

1. Strona tytułowa.

2. Wykaz haseł.

3. Wprowadzenie do tematu.

Rozpowszechnienie.

4. Budowa i umieszczenie kolektorów słonecznych.

Działanie kolektora słonecznego.

5. Zastosowanie kolektorów słonecznych w Polsce oraz prognozy

rozwoju.

Wybór skutecznego kolektora ciepła słonecznego.

6. Oszczędności płynące z wykorzystania kolektorów słonecznych.

Producenci.

7. Kredyty proekologiczne.

Wprowadzenie nowych technologii.

8. Zalety i wady kolektora słonecznego.

Podsumowanie.



Wprowadzenie do tematu

Słońce jest dla naszej planety podstawowym źródłem czystej i odnawialnej energii. Występuje powszechnie i bez granic, świeci każdego dnia a przy okazji wysyła w kierunku Ziemi pod postacią promieniowania słonecznego ogromne ilości energii. W ciągu 14 dni do powierzchni Ziemi dociera jej tyle ile wynosi całoroczne zapotrzebowanie energetyczne naszej planety. Przed milionami lat energia słońca docierając do Ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Dzisiaj te paliwa określane są jako konwencjonalne. Energia promieniowania jest energią o ogromnym potencjale a jej zasób jest praktycznie niewyczerpalny- wystarczy na około 5 mld lat. Rozkład promieniowania słonecznego będącego wypadkową promieniowania bezpośredniego i rozproszonego jest zmienny dla różnych obszarów kuli ziemskiej, w naszej strefie klimatycznej wynosi ono około 1 kW/m2 a największe występuje od kwietnia do września. Urządzeniem wychwytującym wspomniana powyżej energię słoneczną i zmieniającą ją w energię cieplną jest właśnie kolektor słoneczny. Uzyskana w ten sposób energia cieplna gromadzona jest w zasobnikach, z których następnie może być wykorzystywana do ogrzewania mieszkań i do produkcji ciepłej wody. Energię słoneczną można także wykorzystywać do produkcji energii elektrycznej.

Wykorzystanie tej olbrzymiej energii nie jest jednak sprawą prostą ze względu na jej rozproszenie. Aby wykorzystać promienie słoneczne, należy je efektywnie zaabsorbować lub skupić na niewielkiej powierzchni.
Rozpowszechnienie
Kolektory słoneczne znane są od 6500 lat. Pierwsze rozwiązania były stosowane przez Majów do ogrzewania pól uprawnych. Pierwowzór współczesnego kolektora został wykonany 1775r przez Mikołaja de Susarta. Natomiast pierwszą przemysłową linię do produkcji kolektorów słonecznych uruchomiono pod koniec XIX wieku. W latach 40-tych w USA było zarejestrowanych ponad 60 tys. instalacji solarnych. W Polsce pierwszy kolektor został wykonany przez prof. Pabisa 1961r.

W latach 1973 i 1976 - w czasie dwóch kryzysów paliwowych zaczęto się interesować kolektorami słonecznymi jako urządzeniami powszechnego użytku. W tych latach powstało na świecie wiele nowych rozwiązań. Polska w tym czasie posiadała gospodarkę sterowaną centralnie gdzie koszt produkcji ciepła i ciepłej wody był dotowany przez Państwo. To było powodem małego zainteresowania rozwiązaniami solarnymi.

Szacuje się, że obecnie w Polsce jest zainstalowanych 40-50 tys. m2 kolektorów słonecznych. Jest to bardzo mało, gdyż np. w samej tylko dolnej Austrii jest ich już 600 tys m2 . Można przewidywać dynamiczny wzrost zainteresowania tym źródłem (szczególnie dla nowych budynków), jednak pod warunkiem znacznego obniżenia ich ceny rynkowej. Ostrożnie można założyć, że do 2020 roku w Polsce będzie od 200-400 tys. m2 kolektorów słonecznych, o łącznej mocy cieplnej 80- 160 MW.

W Europie urządzenia wykorzystujące energię słoneczną są wykorzystywane z powodzeniem już od wielu lat i mają coraz większy udział w bilansach energetycznych tych państw. Dotyczy to w szczególności Włoch, Grecji i Hiszpanii ale nawet w krajach daleko wysuniętych na północ: Szwecji, Danii czy też Finlandii urządzenia takie stały się zjawiskiem i w pełni akceptowalnym (głównie w domach jednorodzinnych, hotelach oraz zakładach przemysłowych zużywających znaczne ilości ciepłej wody). W Miami natomiast jest około 50 tys. tego typu urządzeń. W Izraelu w około 10% domów podgrzewa się w ten sposób wodę. Nie sposób nie wspomnieć w tym miejscu także o realizowanym obecnie programie "miliona słonecznych dachów", gdzie prywatnym inwestorom montującym instalacje solarne stworzono szalenie preferencyjne warunki finansowania. Dość powiedzieć, że już w 2000r na terenie Niemiec pracowało blisko 300.000 instalacji solarnych, które dawały gospodarce narodowej tego kraju oszczędności w ilości 100 mln litrów oleju opałowego zmniejszając tym samym emisję dwutlenku węgla o 100 tyś. ton. Mając na względzie fakt, iż pod względem nasłonecznienia Polska nie ustępuje takim krajom jak Niemcy bądź Francja należy mieć nadzieję, że w niedługim czasie także i w Polsce stworzony zostanie odpowiednio zachęcający klimat dla inwestorów montujących instalacje solarne.


Budowa i umieszczenie kolektorów słonecznych

Kolektory słoneczne są to płaskie skrzynie z podwójnymi szybami i poczernioną metalową płytą, stanowiącą odbiornik ciepła. Płyta może dostarczać zaabsorbowane ciepło przez podgrzanie opływającego płytę powietrza lub wody w obiegu recyrkulacyjnym. W przypadku wodnego obiegu poczerniona płyta stanowi wspólny element z systemem zamocowanych rurek metalowych, przez które przepływa woda, dostarczając ciepło do miejsc przeznaczenia: do kaloryferów grzewczych w pomieszczeniach lub do zbiornika łazienkowego. Zazwyczaj kolektor pochłania 30-50 % padającego na niego światła słonecznego.

Najważniejszym elementem każdego kolektora jest absorber, który przetwarza energię promieniowania słonecznego na ciepło. Generujące się w absorberze ciepło odbierane jest od niego przez czynnik roboczy, którym jest albo ciecz, albo powietrze. Absorbery wykonane są najczęściej z blachy, a ich budowa dostosowana jest do rodzaju czynnika. W większości zastosowań kolektory słoneczne powinny być tak zbudowane, by ich trwałość , przy właściwej eksploatacji, umożliwiała użytkowanie przez 10-30 lat bez poważniejszego pogorszenia parametrów.

Kolektor słoneczny jest urządzeniem wychwytującym energię słoneczną i zamieniającym na energię cieplną. Zazwyczaj uzyskana w ten sposób energia cieplna gromadzona jest w zasobnikach, z których następnie może być wykorzystywana do ogrzewania mieszkań i do produkcji ciepłej wody. Kolektory zazwyczaj są instalowane w dachach. Istnieje możliwość montażu na ścianie południowej budynku na specjalnie przygotowanym stelażu lub na ziemi. Przy wyborze miejsca należy pamiętać, że musi umożliwiać jak najdłuższe operowanie słońca na płytę kolektora. Kolektor powinien być ustawiony na południe. Optymalny kont nachylenia kolektora do poziomu wynosi 45%. Ze względu na cenę w Polsce stosowane są najczęściej kolektory płaskie. Innym typem są kolektory rurowe -równoległe, które koncentrują promieniowanie słoneczne za pomocą luster parabolicznych na rurę wypełnioną wodą. Do najbardziej efektywnych rozwiązań należą kolektory Dornira pracującym w systemie Heat-Pipe.




Działanie kolektora słonecznego

Działanie takiego urządzenia jest mało skomplikowane. Wypromieniowana energia słoneczna przenika przez specjalne, dobrze przepuszczalne szkło i jest pochłaniana przez wysokowydajną warstwę rozdzielczą na podkładzie aluminiowym. Z powierzchni absorbcyjnej kolektora przechodzi ciepło do rury miedzianej lub aluminiowej zgiętej w kształcie litery "S", a z niej dalej, do cieczy przenoszącej ciepło. Ciecz jest transportowana rurami zbiorczymi do wyjścia z kolektora. Wszystkie części funkcyjne kolektora są umiejscowione między zabezpieczającym hartowanym szkłem przykrywającym i wanną aluminiową wypełnioną dobrze izolującym materiałem



Zastosowanie kolektorów słonecznych w Polsce oraz prognozy rozwoju
Charakter rozkładu gęstości strumienia energii promieniowania oraz jego struktura wskazują na pewne ograniczenia w możliwościach jego wykorzystania, zwłaszcza w okresie zimowym. Pomimo tych niedogodności kolektory słoneczne (cieczowe i powietrzne) wykorzystywane są z powodzeniem w wielu regionach kraju. Słoneczne kolektory cieczowe znajdują zastosowanie przede wszystkim do podgrzewania wody w domkach kempingowych, mieszkaniach, domkach jednorodzinnych, hotelach, pensjonatach, obiektach sportowych i rekreacyjnych, w budynkach inwentarskich, paszarniach a także do podgrzewania wody w zbiornikach i basenach oraz wody technologicznej w małych zakładach przemysłowych, coraz popularniejsze staje się również wykorzystywanie kolektorów słonecznych do ogrzewania mieszkań i budynków.

Obserwowany ostatnio w Polsce ciągły wzrost kosztów wytwarzania energii cieplnej oraz elektrycznej spowodowane wzrostem kosztów paliwa oraz kosztów ochrony środowiska wzbudza coraz większe zastosowanie społeczne możliwościami wykorzystywania darmowej energii słonecznej. Urządzenia przetwarzające energię słońca na ciepło lub prąd elektryczny były do tej pory drogie i mało rozpowszechnione a zagadnieniem tym zajmowali się głównie naukowcy i hobbyści. Jednak stale rosnące ceny energii, paliw i surowców, koszty związane z dewastacją środowiska naturalnego oraz postęp naukowo-techniczny spowodowały, że to co kiedyś pozostawało jedynie w sferze science-viction dzisiaj staje się rzeczywistością a nawet koniecznością ekonomiczno-ekologiczną. Udział energii słonecznej w bilansie energetycznym Polski praktycznie można by uznać za pomijalny. Jednak prognozy jej wzrostu wskazują, że w najbliższym dziesięcioleciu zostanie zainstalowane około 2,5 mln m2 kolektorów, co stanowi około 250 000 do 350 000 instalacji przydomowych, przyjmując wariant rozwoju wg strategii redukcji gazów cieplarnianych z 1996 roku. Wzrost udziału energii słonecznej w całym bilansie energii odnawialnej wyniesie 550 razy.


Wybór skutecznego kolektora ciepła słonecznego
Przy podejmowaniu decyzji o wyborze kolektora należy zwrócić uwagę przede wszystkim na sprawność proponowanego systemu. Ważne jest, aby kolektor miał wysoki współczynnik  - absorpcji krótkofalowego promieniowania słonecznego. Współczynnik absorpcji powinien być jak największy np.  =0,95. Drugim współczynnikiem mającym wpływ na sprawność kolektora jest współczynnik emisji  , który w zakresie długich fal powinien być jak najmniejszy np.  =0,1.

Sprawność kolektorów może sięgać nawet  = 85 % dotyczy to jednak rozwiązań opartych o technologie próżniowe Heat-Pipe. Popularne płaskie kolektory posiadają sprawność maksymalnie  =75%. Trzeba pamiętać, że w rzeczywistości sprawność zmienia się w zależności do napromieniowania, różnicy temperatur w stosunku do otoczenia.

W czasie wieloletniej eksploatacji kolektora jego części składowe mogą ulec uszkodzeniu zarówno na skutek działania czynników zewnętrznych, jak i w wyniku wzajemnego oddziaływania między sobą. Powstające uszkodzenia prowadzą do obniżenia sprawności kolektora i mogą spowodować konieczność przedwczesnego wyłączenia go z eksploatacji. Z tego względu wybór konstrukcji tego typu urządzenia oraz materiałów do jego budowy przeprowadzić należy bardzo starannie. Przy wyborze kierować się należy przede wszystkim zakresem temperatur, w jakim kolektor ma pracować, oraz przewidywanym kosztem produkcji.
Oszczędności płynące z wykorzystania kolektorów słonecznych
Tam gdzie dużo energii zużywa się na podgrzewanie wody – energia słoneczna pozwala osiągnąć duże oszczędności. W Stanach Zjednoczonych do podgrzewania wody zużywa się aż 33% całej energii i dlatego tam wykorzystywanie cieplnej energii słońca jest bardzo korzystne.

Korzyści płynące z posiadania kolektora słonecznego to nie tylko proekologiczne efekty takiego rozwiązania ale przede wszystkim ekonomiczne. Najbardziej interesującym dla potencjalnego inwestora tematem jest szybkość zwrotu kosztów poniesionych na instalację solarną. Z różnego rodzaju analiz ekonomicznych wynika, iż średni czas zwrotu kosztów, o których mowa powyżej to 5 lat, jednakże mając na względzie stale rosnące ceny energii czas amortyzacji takiego urządzenia może być znacznie krótszy. Jest rzeczą charakterystyczną, że w przypadku obiektów o dużym zużyciu energii, głównie ciepłej wody użytkowej (hotele, pensjonaty, małe ciepłownie osiedlowe, zakłady produkcyjne, masarnie, sauny) stopa amortyzacji może wynieść nawet 50%. W średniej wielkości domu jednorodzinnym w Polsce zużywa się w ciągu roku (dane wg "Dziennika Bałtyckiego" z dn. 29.03.2001):

- ok. 53.000 kWh energii na ogrzanie powietrza wewnątrz budynku (praktycznie w całości w "zimowej" połowie roku),
- ok. 7.050 kWh energii na ogrzanie wody do mycia, zmywania itp.,
- ok. 4.000 kWh energii do zasilania sprzętu AGD,
- ok. 2.000 kWh energii do gotowania (głównie gaz i elektryczność),
- ok. 1.000 kWh energii elektrycznej na oświetlenie.

Ujarzmiając energię słoneczną chronimy bezsprzecznie nie tylko nasze środowisko naturalne ale co najważniejsze także i własną kieszeń. Korzystanie z instalacji solarnej w średniej wielkości domku jednorodzinnym to:

- oszczędność tradycyjnych nośników energii, dla potrzeb ciepłej wody użytkowej rzędu 60-80% w skali roku,
- oszczędność tychże samych nośników energii, dla potrzeb uzyskania centralnego ogrzewania w sezonie grzewczym rzędu 20% rocznie,
- oszczędność przy podgrzewaniu wody w otwartym basenie kąpielowym rzędu 90% w okresie letnim, powodującym wydłużenie okresu użytkowania basenu o ok. 4 miesiące,
- możliwość współpracy instalacji solarnej z istniejącym systemem centralnego ogrzewania,
- możliwość zastosowania rozwiązań umożliwiających blisko 100-procentowe przetworzenie energii słonecznej poprzez dodatkowe sprzężenie kolektora słonecznego z pompą ciepła,
- nie wyemitowanie do atmosfery w skali roku ok. 750 kg dwutlenku węgla oraz 15 kg związków siarki,
- skuteczne zabezpieczenie się przed następstwami coraz wyższych cen pozostałych nośników energii, mających udział w kosztach eksploatacji naszego domu oraz przed nieplanowanymi przerwami w ich dostarczaniu.

Producenci

Na rynku polskim obecnych jest ponad 20 dostawców kolektorów słonecznych. Czterech z nich jest projektantami sprzedawanych urządzeń, są to zwykle kolektory z użyciem selektywnych absorberów pokrytych czarnym chromem i miedzianych rur. Pozostali oferują urządzenia importowane z Unii Europejskiej i Ameryki Północnej. Polskie firmy nie produkują słonecznych kolektorów powietrznych, a jedynie kilku dostawców instaluje je do ogrzewania pomieszczeń i suszenia płodów rolnych.


Kredyty proekologiczne

Inwestorzy indywidualni, chcący kupić urządzenia do pozyskiwania energii odnawialnej, mogą skorzystać zarówno z kredytów komercyjnych, jaki i preferencyjnych. Jedną z ofert jest propozycja Banku Ochrony środowiska , który udziela także kredytów preferencyjnych w wysokości 70% wartości przedsięwzięcia (maksymalnie na 5 lat do wartości 3.000.000 PLN) przy oprocentowaniu około 3.75%.


Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW) wraz z regionalnymi Wojewódzkimi Funduszami Ochrony Środowiska (WFOŚiGW) zajmują się nadzorem przedsięwzięć inwestorów instytucjonalnych, chcących uzyskać wsparcie finansowe w formie dotacji oraz tanich kredytów. NFOŚiGW dysponuje preferencyjnymi środkami, udziela pożyczek, dopłat i dotacji. W niektórych sytuacjach (np. po spłaceniu połowy kwoty pożyczki wraz z odsetkami możliwe umorzenie pozostałej części kredytu).
EkoFundusz jest fundacją powołaną dla efektywnego zarządzania środkami finansowymi pochodzącymi z zamiany części zagranicznego długu Polski na finansowe wspieranie przedsięwzięć związanych z ochroną środowiska naturalnego ("ekokonwersja"). EkoFundusz dysponuje środkami w wysokości ok. 571 mln USD do wydania w latach 1992-2010.

W wielu częściach kraju można korzystać także z różnych funduszy zagranicznych i agencji regionalnych działających na rzecz poszanowania energii.



Wprowadzenie nowych technologii
Jeśli chodzi o wykorzystywanie energii słonecznej do klimatyzacji pomieszczeń to jest bardziej skomplikowane niż ogrzewanie, ale też i wyjątkowo atrakcyjne, ponieważ potrzeba klimatyzacji występuje w okresie największego nasłonecznienia. Jest to rozwiązanie obecnie jeszcze dość kosztowne, ale przewiduje się, iż w miarę rozwoju tej technologii i jej upowszechniania ten sposób wykorzystania energii słonecznej będzie konkurencyjny w stosunku do klimatyzacji opartej na wykorzystaniu energii elektrycznej.

Należy równocześnie podkreślić, że samo wprowadzenie nowych technologii opartych na wykorzystaniu energii słonecznej będzie stanowiło duże obciążenie dla środowiska. Układy kolektorowe będą wymagały wyprodukowania ogromnych ilości różnorodnych wyrobów, takich jak: szkło, stal, rurki miedziane, materiały izolacyjne itd. Produkcja tych materiałów wiąże się z koniecznością spalania węgla, ropy lub gazu i towarzyszy temu jak zwykle wytwarzanie produktów ubocznych, odpadów, ścieków oraz gazów zanieczyszczających środowisko.

Kolektory na energię słoneczną pozwalające uzyskiwać temperatury w zakresie 100- 315oC są już opracowane i obecnie wdraża się je w USA jako generatory pary w wielu gałęziach przemysłu chemicznego, włókienniczego i spożywczego. W nasłonecznionej Południowej Kalifornii do skupienia promieni słonecznych wykorzystuje się wklęsłe lustra sterowane komputerem, śledzące Słońce i nagrzewające olej cyrkulacyjny w kolektorach rurowych, przekazujących ciepło do turbin parowych. Wytworzony tym sposobem prąd elektryczny dostarcza energię elektryczną do 500 tys. domów.

Interesującą ideą wykorzystania energii słonecznej w skali przemysłowej jest budowa instalacji, w której setki sterowanych komputerem wklęsłych luster rozlokowanych na dużej, silnie nasłonecznionej powierzchni, kieruje odbite światło słoneczne na jeden kolektor umieszczony na wieży. Skupione światło słoneczne pozwoliłoby uzyskiwać temperatury do około 480oC, która byłaby wystarczająco wysoka, by wytworzyć wysokociśnieniową parę wodną, zdolną do napędzania turbin generatora prądu elektrycznego.


Zalety i wady kolektora słonecznego
Zalety kolektora słonecznego:

- ogólnodostępna energia słoneczna,


- nieszkodliwy dla środowiska naturalnego,
- estetyczny "futurystyczny" wygląd,
- ciepła woda bez rachunków i opłat,
- wysoka sprawność energetyczna,
- możliwość uzyskania wysokiej temperatury wody w stosunkowo krótkim czasie,
- możliwość wspomożenia instalacji centralnego ogrzewania oraz innych instalacji grzewczych z pompami ciepła,
- długi czas eksploatacji dzięki zastosowaniu materiałów odpornych na korozję,
- minimalne zużycie prądu przez układ regulacyjno-zabezpieczający,
- automatyczna regulacja bez ingerencji człowieka,
- system pracy - "konwekcyjny", bez udziału pomp wymuszających obieg,
- instalacja bezciśnieniowa,
- zwiększenie sprawności poprzez ewentualne zastosowanie obrotowej konstrukcji kolektora,
- szybki zwrot kosztów inwestycji instalacji solarnej (3-8 lat).

Wady kolektora słonecznego:
- możliwość najefektywniejszego wykorzystania w miesiącach kwiecień-wrzesień,
- niższa temperatura wody w miesiącach październik-marzec oraz podczas dni pochmurnych,
- stosunkowo wysokie wciąż jeszcze koszty systemów solarnych w przypadku zestawu obsługującego dom jednorodzinny, w którym zamieszkują 4 osoby (w zależności od producenta, ilości kolektorów oraz innych zastosowanych urządzeń od 6-18 tyś. złotych).

Podsumowanie
Rosnące ceny energii i świadomość konieczności działania na rzecz ochrony środowiska naturalnego, powodują coraz większe zainteresowanie alternatywnymi źródłami energii. Jednym z najbardziej dostępnych i popularnych sposobów pozyskiwania „czystej” energii są kolektory słoneczne. Spotykane coraz częściej w Polsce umieszczone na dachach budynków służą najczęściej do podgrzewania wody w ciepłej porze roku. Dobrze zaprojektowana instalacja solarna może dostarczyć 90-100% ciepłej wody w miesiącach letnich, jednak nie więcej niż 10-15% w zimie. W skali roku około 60% potrzeb odbiorcy na ciepłą wodę może być pokryte z takiej instalacji. Może nie zastąpi ona innych źródeł wytwarzania ciepłej wody, ale pozwala na redukcję zużycia paliw kopalnych, a tym samym na zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska.

Okazuje się, że urządzenia te posiadają większą ilość zalet a niektóre wady można w pewnym stopniu skorygować. Taką wadą są np. koszty takiego przedsięwzięcia, gdyż w miarę szybkiego postępu, jaki dokonuje się w tym sektorze, ceny te będą spadać i już za 5-10 lat kolektory te staną się alternatywą dla innych systemów ogrzewczych.


Bibliografia:

1. „Proekologiczne źródła energii odnawialnej”, Witold M. Lewandowski, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 2001;

2. „Energetyka a ochrona środowiska”, Jerzy Kucowski, Damazy Laudyn, Mieczysław Przekwas, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 1987, 1997, Wydanie czwarte częściowo zmienione i rozszerzone;

3. „ Fototermiczna Konwersja Energii Słonecznej”, Włodzimierz Smolec, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2000;

4. „Wstęp do ekologii i podstaw ochrony środowiska”, Tadeusz Stefanowicz, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej – Poznań 1996;

5. Czasopismo: miesięcznik „Aura”, luty 2004, Wydawnictwo Sigma-Nat;



6. Strony internetowe:

www.anmar.gol.pl/kolektory.htm (27:03:04, godz. 18:29)

www.website.w.interia.pl/eko (26.03.04., godz.13:43)

www.wibtronic.com/glowna_solar.htm (01.05.04., godz. 09:15 )



Pobieranie 42.51 Kb.





©absta.pl 2020
wyślij wiadomość

    Strona główna