Fot. ThermosolarDotychczas na rynku największe zastosowanie mają urządzenia słoneczne przeznaczone do produkcji niskopotencjalnego ciepła, tj. ciepła poniżej 100°C, otrzymywanego za pomocą płaskich kolektorów cieczowych i krótkotrwałej akumulacji ciepła.

Korzyści płynące z takich urządzeń są następujące:

a) względne cenowe relacje na jednostkę otrzymanego ciepła słonecznego w stosunku do ich istniejących sposobów aktywnego wykorzystania promieniowania słonecznego.
b) decydujący udział ciepła niskopotencjalnego w strukturze zużycia energii cieplnej w gospodarstwie domowym.

Ten fakt jest oczywisty jeśli weźmiemy pod uwagę, że przeciętna rodzina wykorzystuje średnio 90% całej energii na ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody użytkowej i tylko 10% przypada na pozostałe odbiorniki.

Dobrze zaprojektowane urządzenie słoneczne z jakościowymi kolektorami słonecznymi i w warunkach polskich może zaoszczędzić przeciętnie w ciągu roku od 50 do 80% energii niezbędnej do przygotowania ciepłej wody użytkowej i od 20 do 40% ciepła niezbędnego do ogrzewania. Możliwe jest również osiągnięcie wyższego stopnia zaspokojenia potrzeb energetycznych w gospodarstwach domowych na energię cieplną, jednakże za cenę znacznie większych nakładów inwestycyjnych. Standardowym sposobem ekonomicznej efektywności ogrzewania słonecznego jest porównanie kosztów pozyskania jednostki ciepła słonecznego z ceną sprzedaży analogicznej ilości ciepła pozyskanego sposobem konwencjonalnym. Koszty wytwarzania ciepła słonecznego określone są stosunkiem: koszty ciepła słonecznego = koszt całkowity / (roczny zysk energetyczny × żywność)

Koszt całkowity przedstawia sumę kosztów inwestycyjnych i użytkowania na okres żywności urządzenia. Uważamy, że dla zaspokojenia 50–50% zapotrzebowania ciepłej wody użytkowej dla czteroosobowej rodziny należy zamontować trzy wydajne kolektory słoneczne np. typu Heliostar i 300 litrowy zasobnik wody wraz z instalacją w tym przypadku wydatki na 1 kWh ciepła przy poziomie cen z 1998 r. są następujące:
- koszty inwestycyjne (dostawa pod klucz) 10.500,00 zł
- koszty użytkowania (0,5% z nakładów inwest. × okres żywotności) 1.313,00 zł
- roczny zysk energetyczny (jeden kolektor Heliostar 202 = 800 kWh/rok 2.400 kWh
- zaprojektowana żywotność (minimalna) 25 lat
- cena ciepła słonecznego przy tych warunkach wynosi: (10500 zł + 1313 zł) / (2400 kWh / rok × 25 lat) = 0,1969 zł/kWh

Rzeczywiste koszty inwestycyjne mogą w danym przypadku być niższe, dlatego że wyżej wymienione urządzenie słoneczne całkowicie zastąpi konwencjonalny sposób przygotowania ciepłej wody użytkowej (niektóre elementy instalacji słonecznej są wspólne z instalacją konwencjonalną). W górnej części zbiornika słonecznego jest wbudowany następny wymiennik ciepła, który jest podłączony do kotła centralnego ogrzewania lub grzałka elektryczna (ewentualnie oba sposoby jednocześnie). System jest niezależny od warunków atmosferycznych. W przypadku dłuższego trwania niesprzyjającej pogody lub podczas okresu zimowego dogrzewanie może pracować niezależnie od kolektorów słonecznych lub przy ich pomocy tj. woda podgrzana kolektorami jest dogrzewana do wymaganej temperatury konwencjonalnymi źródłami ciepła. Kolejny ważny potencjał obniżenia kosztów inwestycyjnych pozyskiwania ciepła słonecznego jest rozbudowa urządzeń słonecznych. Jeżeli na przykład zwiększymy ilość kolektorów z 3 na 6 szt. przy jednoczesnym zabezpieczeniu odbioru ciepła, wydajność cieplna urządzenia zwiększy się dwukrotnie. Przy czym cena niektórych części instalacji pozostaje bez zmian (regulacja elektroniczna, odgazowywacz, jednostka instalacyjna z pompą obiegową) lub nie będzie lineralnie rosła z nich wielkością. Ten fakt wykorzystuje się w niektórych państwach zachodnioeuropejskich, gdzie przy pomocy inwestycyjnej państwa jest możliwość budowy dużych urządzeń słonecznych. Urządzenia te w połączeniu z uzupełniającymi źródłami konwencjonalnymi dostarczają ciepło dla dziesiątek obiektów lub domów jednorodzinnych.

Jeżeli porównamy obliczone koszty uzyskania ciepła słonecznego z mniejszych decentralnych urządzeń słonecznych z aktualnymi cenami np. za energię elektryczną, otrzymamy bardzo obiecujące dane. Cena ciepła uzyskanego z kolektorów słonecznych jest niższa od ceny 1 kWh wg taryfy podstawowej dla ludności (kolektory 1 kWh – 0,1969zł, energia elektryczna: 1 kWh – 0,24 zł), należy w tym miejscu wspomnieć, że w Polsce ceny za energie są w dalszym ciągu dotowane przez państwo. Dzisiaj jest już wiadomo, że istniejący stan nie może trwać wiecznie i ceny za energię będą się zbliżać do kosztów jej produkcji. Jednak nawet po osiągnięciu takiego stanu problem ekonomiczny otrzymywania ciepła słonecznego nie zostanie rozwiązany zupełnie. Wynika to z rezultatów analizy małych cieplnych urządzeń słonecznych w Niemczech i Austrii. Spowodowane jest to przede wszystkim tym, że cena ciepła otrzymanego z paliw kopalnych nie zawiera kosztów likwidacji Co2, którego rosnąca zawartość w atmosferze jest przyczyna negatywnych globalnych zmian klimatycznych. W warunkach Państwa Niemieckiego otrzymanie 1 kWh energii połączone jest z emisją od 0,56 do 1,1 kg CO2 a koszty związane z likwidacja 1 tony CO2 wynoszą 400 DM. Porównywalna instalacja cieplna z trzema kolektorami Heliostar 202 kosztuje w Niemczech w przybliżeniu 9.000 DM. Przy rocznej oszczędności 2400 kWh powstaje redukcja CO2 od 1,34 do 2,64 t/rok a koszt redukcji takiej ilości CO2 wynosi odpowiednio od 536 do 1056 DM/rok. Przy 25 letniej żywotności urządzenia wartość redukcji CO2 wynosi od 13.400 do 25.400 DM, co znacznie przewyższa koszty inwestycyjne związane z wykonaniem instalacji kolektorowej. Ten problem kraje zachodnioeuropejskie rozwiązują poprzez bezpośrednie dotacje inwestycyjne lub politykę podatkową. Potencjalne możliwości takiej polityki można najlepiej pokazać na przykładzie Austrii. W ciągu 1994 roku zostało tam zamontowanych ok. 150.000 m2 kolektorów słonecznych, przy czym całkowita powierzchnia kolektorów osiągnęła 1 milion m2. Również w Niemczech wykorzystanie kolektorów słonecznych rośnie w ostatnim czasie wyjątkowo gwałtownie. Do końca 1992 r. całkowita powierzchnia zainstalowanych kolektorów wyniosła 672.000 m2 a do końca 1995 roku wzrosła do 1.426.000 m2. Niestety inaczej jest w warunkach polskich gdzie kotły na paliwa kopalne obciążone są 7% stawką podatku VAT, a kolektory słoneczne 22%. Świadczy to o całkowitym braku zainteresowania ze strony państwa wykorzystaniem proekologicznych źródeł energii.

Jest oczywiste, że czynne wykorzystywanie energii słonecznej nie jest w stanie rozwiązać problemu energetycznego ludności. Może go jednak znacznie zmniejszyć przy pomocy szerszego wykorzystywania niskopotencjalnego ciepła słonecznego celem przygotowania ciepłej wody użytkowej i ogrzewaniem obiektów budowlanych, jak również wykorzystanie tego ciepła w niektórych gałęziach przemysłu.

Zastosowanie cieczowych kolektorów słonecznych

Systemy z cieczowymi kolektorami promieniowania słonecznego mieszczą się w dziedzinie konwersji termicznej tej energii. Konwersja termiczna może być klasyfikowana jako nisko, średnio i wysokotemperaturowa. Cieczowe kolektory słoneczne można zastosować ogólnie do:
- ogrzewania wody i pomieszczeń;
- procesów chemicznych.

Ogrzewanie wody jest procesem najprostszym ze względu na wymagane niewielkie różnice temperatur i brak problemów materiałowych. Najważniejszy składnik systemu, absorber może być niczym nie zasłonięty (przed stratami do otoczenia) i wtedy jest przydatny do niedrogich systemów np. podgrzewania wody w basenach kąpielowych. Zaizolowanie absorbera od spodu i szyba od strony czołowej tworzy najbardziej znany płaski kolektor promieniowania słonecznego ze zminimalizowanymi stratami ciepła. Najniższe straty cieplne zapewnia absorber umieszczony w próżniowej rurze (rozwiązania najdroższe).

W Europie Centralnej cieczowe kolektory nie są stosowane do ogrzewania pomieszczeń (niska wartość promieniowania słonecznego zimą). Zadanie to mogą spełnić kolektory powietrzne, o ile stanowiłyby składnik istniejącego systemu popularnych słonecznych systemów ciepłej wody użytkowej (cwu) jest możliwy i kontynuowany. Względy ekonomiczne determinują konieczność takiego ich rozwoju, aby spełniały one warunki:
- niska cena;
- wysoka sprawność;
- długi okres eksploatacji.

Zasoby energii słonecznej w Polsce w aspekcie zastosowania słonecznych systemów ciepłej wody użytkowej

Średnie całkowite napromieniowanie roczne, związane bezpośrednio z usłonecznieniem, ale zarazem także będące funkcja wzniesienia terenu ponad poziom morza, zależy od regionu i wynosi przykładowo dla Kołobrzegu – 3832 MJ/(m2×rok), dla Warszawy – 3480 MJ/(m2×rok), Zakopanego – 3558 MJ/(m2×rok). Średnie roczne nasłonecznienie dla obszaru Polski wg. różnych danych wynosi od 3420 do 3600 MJ/(m2×rok). Liczba godzin słonecznych dla Warszawy wynosi 1600 godzin (w Gdyni wartość maks. – 1671 godzin/rok, min. Katowice – 1234 godzin/rok). 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września.

Średnio w skali rocznej blisko 50% energii dociera do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania dyfuzyjnego. Udział ten jest większy w okresie zimowym i sięga 77%.

Pomocne w ocenie efektu energetycznego zastosowanych kolektorów promieniowania słonecznego mogą być sumy promieniowania padającego na pochyloną powierzchnię obliczone na podstawie uśrednionych z okresu wielu lat danych dotyczących powierzchni poziomej. W tabeli 1 określono napromieniowanie na powierzchnię pochyloną pod kątem 45° do poziomu. Czynnikiem decydującym o doborze kąta pochylenia kolektorów jest czas eksploatacji systemu słonecznego. Ilustruje to rys. 1 (uwzględniono promieniowanie słoneczne bezpośrednie i rozproszone).

Słoneczne instalacje ciepłej wody użytkowej w Polsce

Do określenia potrzebnej powierzchni kolektorów (ich ilości) należy się odnieść do zapotrzebowania uwarunkowanego ilością osób i przypadającym na osobę zużyciem cwu oraz ilością energii docierającą do kolektora. Jest zalecane projektowanie instalacji (czyli przyjęcie powierzchni kolektorów słonecznych), przy założeniu, że powinna ona pokryć ok. 65% zapotrzebowania rocznego na ciepłą wodę użytkową.
Jak wynika z tabeli 1, wartości nasłonecznienia w miesiącach zimowych (listopad, grudzień, styczeń, luty) są bardzo małe, a również należy wtedy przewidywać obniżoną sprawność instalacji. W okresie tym nawet bardzo duża powierzchnia kolektorów słonecznych nie zapewni 100% pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Na wykresie 2 zaprezentowano procentowe pokrycie zapotrzebowania na cwu w zależności od powierzchni zainstalowanych kolektorów. zapotrzebowanie na cwu obliczono przyjmując zużycie w wielkości 60 l/(dobę, osobę), temperaturę wody w sieci 10°C, temperaturę cwu 45°. Dla 4 osób, dla całego roku, zapotrzebowanie wyniesie:

4 osoby × 60 l/dzień × 365 dni/rok × (45–10)°C × 4,19 kJ/(kgK) = 12846540 kJ = 3568 kWh

Ciepło dostarczone z instalacji słonecznej obliczano wykorzystując wartości podane w tabeli 1, sumując wielkości energii (ilość energii docierającej w formie promieniowania słonecznego bezpośredniego i rozproszonego × sprawność instalacji × powierzchnia kolektorów) określone dla poszczególnych miesięcy w roku. Biorąc pod uwagę stopień pokrycia zapotrzebowania (stanowiący iloraz ciepła uzyskanego z instalacji i zapotrzebowania) w ciągu całego roku, widzimy niemożliwość pokrycia całkowitego, rocznego zapotrzebowania jak i wyraźnie niecelowość zwiększania powierzchni kolektorów ponad pewną wielkość. Dlatego zalecane jest przyjmowanie takiej powierzchni kolektorów, aby instalacja słoneczna pokryła ok. 65% zapotrzebowania rocznego. Celowe jest natomiast rozpatrywanie osiągów instalacji w miesiącach od marca do października. Na rys. 2 przedstawiono stopień pokrycia zapotrzebowania określonego odpowiednio dla miesięcy: III–X (8 miesięcy), IV–IX (6 miesięcy), V–VIII (4 miesiące). Dla ostatniego przypadku zapotrzebowanie na cwu liczone dla 4 miesięcy jest w 100% pokryte przez instalację słoneczną złożona z kolektorów o powierzchni 5 m2.