Energia słoneczna podstawą ekologicznego domu

Energia słoneczna pozyskiwana jest z bezpośredniego oraz odbitego promieniowania słonecznego. W ten sposób można nie tylko dbać o środowisko, ale też o swój portfel. Co warto wiedzieć o tym rozwiązaniu?

Każdego dnia cieszą nas słoneczne promienie. To niewyczerpany zasób energii, którą możemy spożytkować w naszych gospodarstwach domowych. Rozwój techniczny w tym zakresie jest bardzo szeroki. Baterie słoneczne spotykamy niemal na każdym kroku. Zasilają sygnalizacje świetlne, zegarki, kalkulatory, zakłady przetwórstwa spożywczego, samochody, samoloty. Systemy solarne nie pociągają za sobą skutków ubocznych takich jak dym, spaliny, które przyczyniają się do wzrostu dwutlenku węgla w atmosferze, a co za tym idzie do ocieplenia i zmian w klimacie naszej planety.

Podoba Ci się to, o czym piszemy?     

Energia ze źródeł konwencjonalnych

Polska to zagłębie górnicze. Większość energii produkowanej oraz ciepło w domach jednorodzinnych pochodzi z węgla. Wszyscy powinniśmy zdawać sobie sprawę z tego, że konwencjonalne źródła energii są źródłami, które w pewnym momencie się wyczerpią. Węgla w Polsce wystarczy na około 40 lat, a złóż węgla brunatnego na około 30 lat. Trzeba również pamiętać o tym, że wytwarzaniu prądu i ciepła z węgla towarzyszy zanieczyszczenie powietrza. Elektrownie węglowe podczas pracy oddziałują negatywnie na środowisko naturalne, a to ma wpływ na powietrze, a co za tym idzie na zdrowie człowieka.

Wdech, wydech, smog! Jak zanieczyszczone powietrze wpływa na nasze zdrowie?

Elektrownie węglowe wpływają negatywnie na wodę oraz glebę, powodując jej nadmierne zakwaszenie, alkalizację oraz akumulację substancji fitotoksycznych. Sposobem na ograniczenie negatywnego wpływu elektrowni konwencjonalnych na środowisko jest produkcja energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii, do których należą: słońce, wiatr, woda oraz energia geotermalna.

Energia ze źródeł odnawialnych jest takiej samej jakości jak ta wyprodukowana z węgla, a jej zaletą jest to, że jej źródła są niewyczerpalne. Nie wpływa też negatywnie na środowisko oraz życie człowieka. To są mocne argumenty, które przemawiają za tym, aby inwestować w pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych.

Energia słoneczna i sposoby jej pozyskiwania

Podstawowym źródłem energii na naszej planecie jest promieniowanie słoneczne. Niestety, ludzie zachowują się tak, jakby tego faktu zupełnie nie zauważali. Na Ziemię w postaci promieni słonecznych dociera rocznie 20 000 razy więcej energii aniżeli ludzkość jest w stanie wykorzystać na własne potrzeby. W Polsce przyjmuje się, że średnie natężenie napromieniowania oscyluje w granicy 1000W/m2. Najwyższe natężenie promieniowania w Polsce zaobserwowano na Kasprowym Wierchu (ok. 1200 W/m2) i w pasie nadmorskim (ok. 1050 W/m2).

Słońce można efektywnie wykorzystywać do otrzymywania ciepła (kolektory słoneczne) lub wytwarzania energii elektrycznej (panele fotowoltaiczne). Słońce wykorzystywane jest powszechnie do ogrzewania ciepłej wody użytkowej, basenów lub jako system wspomagający centralne ogrzewanie budynków. W przyszłości nabierze znaczenia klimatyzacja solarna budynków, ponieważ dostarczanie energii bardzo dobrze koresponduje z zapotrzebowaniem na nią w tym przypadku.

Instalacje solarne – wady i zalety

Kolektory słoneczne i ogniwa fotowoltaiczne bardzo często są mylone, choć zasada ich działania jest zupełnie inna. Łączy je zaś to, że służą do przechwytywania energii słonecznej i przetwarzania jej na użyteczną dla nas postać (ciepło lub prąd).

Kolektory słoneczne

Kolektory i współpracująca z nimi instalacja wykorzystują promieniowanie słoneczne do podgrzania wody. Ten proces przebiega w następujących etapach:

  1. kolektor pochłania i zamienia promieniowanie słoneczne w ciepło;
  2. ciepło odbiera czynnik roboczy (najczęściej płyn niezamarzający);
  3. czynnik roboczy przepływa rurami do wężownicy umieszczonej w zasobniku wody i przekazuje jej ciepło.

Na rynku dominują kolektory płaskie oraz rurowe próżniowe. Różni je przede wszystkim budowa absorbera, czyli elementu pochłaniającego promieniowanie słoneczne, oraz sposób zabezpieczenia przed stratami ciepła do otoczenia. W kolektorach płaskich absorberem jest miedziana lub aluminiowa płyta (blacha). Od góry zabezpiecza go szyba o dużej wytrzymałości. W kolektorach próżniowych absorber jest zwykle podzielony na wąskie pasy (po jednym w każdej rurze próżniowej).

Kolektory słoneczne płaskie (solary)

Kolektory słoneczne to urządzenia pochłaniające promienie słoneczne, przekształcające je w energię cieplną wykorzystywaną końcowo do ogrzewania wody użytkowej, wody basenowej oraz wspomagania centralnego ogrzewania.

Najbardziej popularnym rodzajem kolektorów na świecie są kolektory płaskie (solary). Są one powszechnie montowane z uwagi na wysoką wydajność, trwałość, a także niską cenę. Znaczącą kwestią jest też szybszy zwrot z inwestycji w zestaw solarny z kolektorami słonecznymi płaskimi w porównaniu do takiego samego zestawu na kolektorach rurowo-próżniowych. Wynika to z faktu, że kolektory płaskie odznaczają się wyraźnie wyższą wydajnością w okresie ciepłym, a więc wiosną, latem i wczesną jesienią.

Dom z drewna. Jakie są koszty budowy?

Podstawowa zasada działania płaskich kolektorów słonecznych sprowadza się do absorbowania promieni słonecznych poprzez ciemną powłokę zwaną absorberem, do której spodniej części przylutowane są miedziane lub aluminiowe kanały przepływowe dla płynu grzewczego. Poprzez wężownice w zbiorniku wody płyn solarny (glikol) przekazuje ciepło, podgrzewając wodę użytkową. Absorber zbudowany jest z blachy miedzianej bądź aluminiowej pokrytej warstwą absorbującą i to od niego zależy przede wszystkim trwałość i wysoka sprawność kolektora przez wieloletni okres jego użytkowania. Pod absorberem kolektor izolowany jest wełną mineralną, a od góry przykryty szybą solarną, odporną na grad i inne czynniki zewnętrzne. Całość zamknięta jest w estetycznej obudowie aluminiowej. Prosta budowa kolektora płaskiego gwarantuje praktycznie bezawaryjną pracę i nieznaczące spadki wydajności przez bardzo długi okres, nawet do 25-30 lat.

Wysoka sprawność i długa żywotność kolektorów płaskich wynika z zastosowania absorbera pokrytego w warunkach próżni warstwą tytanu. Należy podkreślić, że jest to najtrwalsza powłoka stosowana obecnie w większości nowoczesnych kolektorów słonecznych o bardzo wysokim współczynniku absorpcji (pochłaniania promieni słonecznych).

Kolektor słoneczny rurowo-próżniowy

Kolektor słoneczny rurowo-próżniowy to zaawansowany produkt techniki solarnej. W okresie zimowym jest około 20% sprawniejszy od kolektorów płaskich, natomiast w okresie letnim wydajność obu kolektorów jest zbliżona (ze wskazaniem jednak na kolektory płaskie).

Wyższa sprawność w okresie zimowym wynika ze zdolności kolektora próżniowego do absorbowania promieniowania rozproszonego oraz ograniczenia strat ciepła dzięki zastosowaniu próżni istniejącej między dwoma rurami szklanymi kolektora. Powłoka absorbująca w kolektorach rurowych znajduje się najczęściej na zewnętrznej powierzchni wewnętrznej rury. Zapewnia to maksymalną absorpcję promieni słonecznych. Minusem tego rozwiązania jest wyższa cena. Wykonane z miedzi rurki ciepła wewnątrz kolektora są fabrycznie napełnione cieczą o niskiej temperaturze parowania. Podczas ogrzewania rur przez słońce ciecz ta zaczyna parować i ciepło konwekcyjnie przechodzi do końcówki rury kondensatora, umiejscowionej w kanale zbiorczym będącym wymiennikiem ciepła. Poprzez kondensator ciepło oddawane jest najpierw do płynu przepływającego przez kanał zbiorczy, a następnie przekazywane do zbiornika ciepłej wody.

Zalety kolektorów próżniowych

  • Sprawdzają się w instalacjach solarnych do ogrzewania wody użytkowej i wspomagania c.o.
  • Generują bardzo małe straty ciepła dzięki próżni w szklanych rurach kolektora.
  • Wysoka trwałość rur próżniowych wykonanych ze szkła boro-krzemowego.
  • Długa żywotność kolektorów gwarantowana przez producenta.
  • Wysoka estetyka i funkcjonalność rur kolektora: pasywne śledzenie Słońca przez cały dzień.
  • Cechą charakterystyczną tych kolektorów jest bardzo wysoka jakość wykonania oraz wydajność.

Panele fotowoltaiczne

Panele fotowoltaiczne (PV) produkują energię elektryczną. Ze względu na wysoką cenę ich wykorzystanie w instalacjach dostarczających przynajmniej kilka kW mocy, np. na potrzeby domu jednorodzinnego, jest wciąż rzadkie. Jednak samo używanie pojedynczych ogniw lub ich baterii – zwanych panelami fotowoltaicznymi (solarnymi, słonecznymi) – nie jest wcale nowością. Stosuje się je np. w kalkulatorach i do zasilania ulicznej sygnalizacji świetlnej.

Nie będę tutaj szczegółowo opisywać fizycznych podstaw działania ogniw fotowoltaicznych. Zainteresowani znajdą te informacje bez trudu w każdej encyklopedii. W końcu za wyjaśnienie tzw. zjawiska fotoelektrycznego Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla. Wystarczy powiedzieć, że ogniwo słoneczne jest elementem półprzewodnikowym, tworzącym złącze typu p-n. Pod wpływem padającego nań promieniowania słonecznego (fotonów) powstaje siła elektromotoryczna, bo elektrony przemieszczają się do obszaru n, zaś tzw. dziury do obszaru p. Wynikiem tego ruchu ładunków jest powstanie różnicy potencjałów, czyli prądu elektrycznego.

Ogniwa grupuje się w panele, ponieważ ogniwo najpopularniejszego rodzaju, czyli zbudowane na bazie krzemu, daje napięcie zaledwie ok. 0,5 V. Łącząc je szeregowo, uzyskujemy odpowiednio wyższą, użyteczną wartość.

Z praktycznego punktu widzenia najważniejszą kwestią są zasady rządzące działaniem instalacji fotowoltaicznych:

  • natężenie uzyskiwanego prądu elektrycznego, a więc ilość energii, zależy od intensywności promieniowania słonecznego;
  • sprawność przemiany energii słonecznej w elektryczność waha się w szerokich granicach od kilku do ponad 20%, zależnie od budowy ogniw. Jednak ich ceny także są bardzo różne, dlatego najlepiej jest przeliczać cenę na uzyskiwaną moc elektryczną (zł/kW);
    w panelach uzyskiwany jest prąd stały, a większość domowych urządzeń zasilana jest prądem przemiennym. Trzeba więc go przetworzyć, co wymaga dodatkowych urządzeń (falownika);
  • magazynowanie energii elektrycznej w akumulatorach jest kosztowne i niepraktyczne, dlatego najbardziej pożądanym rozwiązaniem jest możliwość odsprzedaży nadwyżek energii do sieci.

Piotr Sobański

Brak postów do wyświetlenia