Zasoby i wykorzystanie energii słonecznej w Polsce

Słońce jest podstawowym źródłem energii dla naszej planety. Przed milionami lat energia słońca docierająca do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Również słońcu zawdzięczamy energię jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie. Można także bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną poprzez zastosowanie specjalnych systemów do pozyskiwania i akumulowania energii słonecznej. Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii emitowany przez Słońce równomiernie we wszystkich kierunkach. Miarą wielkości promieniowania słonecznego docierającego ze słońca do ziemi jest tzw. stała słoneczna. Jest ona wartością gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchni stratosfery i obecnie wynosi 1,4 kW/m2.

Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera do powierzchni Ziemi. Oświetlenie powierzchni Ziemi nie jest równomierne. Zależy od szerokości geograficznej, pory roku i pory dnia. Obliczono, że jednemu metrowi kwadratowemu powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu dnia na naszej szerokości geograficznej średnio 2,7kWh energii. Jest to wartość równa energii, jaką uzyskujemy ze spalenia jednej trzeciej litra benzyny.

Obecnie chcemy wykorzystać jej jak najwięcej. Energię słoneczną używa się do ogrzewania domów mieszkalnych zakładając ogniwa fotowoltaiczne zamieniające światło na prąd lub wykorzystując światło do ogrzewania wody w w specjalnych zbiornikach umieszczonych na dachach zwanych kolektorami. Aby wystarczyło to do ogrzania średniego domu rodzinnego i dostarczenia domownikom ciepłej wody powierzchnia kolektorów musiałaby wynosić aż 60m2. Jest to duża powierzchnia i oprócz ogrzewania słonecznego użytkownicy wykorzystują energię elektryczną.

»   W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania:
- bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej
- rozproszone powstaje w wyniku wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery
- odbite powstaje w skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia.

»   Zasoby energii słonecznej w Polsce

Polska pod względem nasłonecznienia nie ustępuje takim krajom jak Niemcy czy Francja. Często wielkość napromieniowania słonecznego mylona jest z rozkładem temperatur. Dane statystyczne dla temperatury powietrza mogą nam dostarczyć jedynie informacji ogólnych wskazujących na dobór urządzeń grzewczych dla centralnego ogrzewania. Nie można jednak mylić wielkości temperatury (nawet w zimie) z natężeniem irradiacji słonecznej. Nie ma żadnych przeszkód w powszechnym wykorzystaniu energii słonecznej, gdyż udział promieniowania rozproszonego w okresie zimy w Polsce jest stosunkowo duży.



W naszym kraju generalnie istnieją dobre warunki do wykorzystania energii promieniowania słonecznego przy dostosowaniu typu systemów i właściwości urządzeń wykorzystujących tę energię do charakteru, struktury i rozkładu w czasie promieniowania słonecznego. Największe szanse rozwoju w krótkim okresie mają technologie konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego, oparte na wykorzystaniu kolektorów słonecznych. Ze względu na wysoki udział promieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym, praktycznego znaczenia w naszych warunkach nie mają słoneczne technologie wysokotemperaturowe oparte na koncentratorach promieniowania słonecznego.

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. Na rysunku poniżej i w tabeli poniżej pokazano rozkład sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej dla wskazanych rejonów kraju.

Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2, natomiast średnie nasłonecznienie wynosi 1600 godzin na rok. Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie.

Innym parametrem, decydującym o możliwościach wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach są średnioroczne sumy promieniowania słonecznego. Przedstawiono je na rysunku poniżej, podając wartości godzin usłonecznienia (ilości godzin czasu trwania promieniowania słonecznego w ciągu roku) dla reprezentatywnych rejonów Polski wg IMGiW

Wielkość promieniowania słonecznego jaka może być wykorzystywana przez kolektor jest znacznie mniejsza całkowite promieniowanie słoneczne docierające ze słońca do ziemi i wynosi 0,7 kW/m2.
Przyczyną tego są straty przesyłanej energii powstałe w wyniku:
- rozproszenia
- pochłaniania
- strat na kolektorze

»   Energia słoneczna w budownictwie pasywnym

Powszechnie panujący pogląd o tym, że energia słoneczna dostępna zimą w Polsce nie jest wystarczająca do ogrzewania budynków jest słuszny tylko z pozoru. W przypadku budynków tradycyjnych zapotrzebowanie na ciepło do ich ogrzania jest w istocie zbyt duże aby można było myśleć o pokryciu w całości niedostatku dostępną energią słoneczną. Dla świetnie ocieplonych budynków pasywnych jednak zapotrzebowanie na ciepło jest bardzo małe i w tych budynkach energia słoneczna może przynieść wymierne zyski ciepła. W wielu konstrukcjach w zależności od technologii i usytuowania budynku urządzenia wykorzystujące energię słoneczną jak panele RymSol mogą uzupełnić brakujące ciepło do zapewnienia pełnego komfortu cieplnego w budynku bez uciekania się do innego sposobu dogrzewania. Pochłaniając średnio 150 kWh/m2 energii na sezon grzewczy panele RymSol są w stanie ogrzać dziesięciokrotnie większą powierzchnię domu w standardzie budynku pasywnego z zapotrzebowaniem na ciepło 15 kWh/m2 na sezon.

Szacuje się, że w większości stref klimatycznych w Polsce istnieje możliwość konstrukcji budynku pasywnego bez tradycyjnego systemu grzewczego wyposażonego jedynie w technologie domu pasywnego firmy Masa Therm. Szczegółowy opis tych technologii odnajdziecie Państwo w dziale Technologia.

»   Pozyskiwanie energii słonecznej na potrzeby ciepłej wody użytkowej i centralnego ogrzewania

Największym problemem nie jest pozyskanie tej energii lecz jej zmagazynowanie i wykorzystanie we właściwym czasie.

Systemy solarne można więc podzielić na następujące grupy:
» aktywne (z wymuszonym obiegiem grawitacyjnym - całoroczne instalacje), do instalacji dostarcza się dodatkową energię z zewnątrz, zwykle do napędu pompy lub wentylatora przetłaczających czynnik roboczy (najczęściej wodę lub powietrze) przez kolektor słoneczny. Funkcjonowanie kolektora słonecznego jest związane z podgrzewaniem przepływającego przez absorber czynnika roboczego, który przenosi i oddaje ciepło w części odbiorczej instalacji grzewczej.
» pasywne (grawitacyjne - instalacje letniskowe), do swego działania nie potrzebują dodatkowej energii z zewnątrz. W tych systemach konwersja energii promieniowania słonecznego w ciepło zachodzi w sposób naturalny w istniejących lub specjalnie zaprojektowanych elementach struktury budynków pełniących rolę absorberów.

Granice podziału pomiędzy dwoma wyżej wymienionymi sposobami wykorzystania konwersji termicznej są dość płynne. Z jednej strony w systemach pasywnych dopuszcza się stosowanie pewnych elementów regulujących przepływ energii uzyskanej z promieniowania słonecznego. W przypadku, gdy zastosowane są w tym celu urządzenia mechaniczne można mówić o systemach semiaktywnych. Z drugiej strony często celowo stosuje się uzupełniające się wzajemnie w jednej instalacji grzewczej systemy pasywne i aktywne jednocześnie. Mówi się wtedy o systemach kombinowanych.

W obu przypadkach zamiana energii promieniowania słonecznego odbywa się w specjalnych elementach kolektorów słonecznych zwanych absorberami. Transmisja zaabsorbowanej energii słonecznej do odbiorników odbywa się w specjalnych instalacjach.

Według ocen ekspertów, potencjał ekonomiczny kolektorów słonecznych w Polsce do produkcji ciepłej wody użytkowej wynosi 24 PJ. Natomiast potencjał kolektorów słonecznych do suszenia płodów rolnych sięga 21 PJ.

Kompletne całoroczne instalacje słoneczne na potrzeby c.w.u. i c.o. składają się z trzech zasadniczych elementów bez których nie było by możliwe magazynowanie energii:

»   Kolektor słoneczny - podstawowy element instalacji słonecznej, jego zadaniem jest przekształcenie energii słonecznej w energię cieplną poprzez specjalną płytę absorpcyjną. Najczęściej stosuje się tzw. kolektory płaskie cieczowe.

»   Każdy kolektor tego typu składa się z:
- przezroczystej szyby
- powłoki absorpcyjnej
- systemu rurek miedzianych w których przepływa ciecz solarna
- ocieplenia od spodu
- obudowy aluminiowej w której zamknięte są ww. elementy.

W zależności od użytych materiałów współczynnik pochłaniania energii słonecznej może osiągnąć wartość do 95-97%.



Wykres: Hewalex

Legenda do wykresu:

1. Promieniowanie cieplne na powierzchnię 1m2 nachyloną pod kątem 45° w kierunku na południe.
2. Energia uzyskana z 1m2 powierzchni kolektora przy temperaturze wody 10°C na dopływie
3. Energia uzyskana z 1m2 kolektora dla basenów kąpielowych przy temperaturze wody 22°C na dopływie.

»   Drugi typ kolektora to tzw. kolektor rurowo-próżniowy. Jest on inaczej zbudowany niż kolektor płaski cieczowy. Oparty jest na szklanej rurze w środku której umieszczono cienki absorber z rurką metalową, wewnątrz której umieszczona jest jeszcze jedna rurka. Ciecz płynie wewnętrzną rurką i wpływając od dołu do zewnętrznej rurki, nagrzewa się przejmując ciepło od absorbera. Ten typ kolektora charakteryzuje się większą sprawnością niż kolektor płaski w okresie o zwiększonym zachmurzeniu.

»   Automatyka, układ bezpieczeństwa - ten element instalacji w skład którego wchodzą zawory, naczynie przeponowe, pompka cyrkulacyjna, regulator mikroprocesorowy ma zapewnić odpowiedni kierunek przepływu medium oraz ciepła w systemie. Ponadto przy instalacjach całorocznych automatyka jest wyposażona system pogodowy co zapewnia optymalne wykorzystanie energii w zależności od warunków biometeorologicznych. Przy odpowiednio dobranym układzie automatyka pogodowa może w miarę potrzeb załączać lub wyłączać odpowiednie źródła ciepła.