Mo¥liwoÿci konwersji energii sêonecznej do energii cieplnej.pdf

Czysta energia — Czyste środowisko 2008

MAŁOPOLSKO-PODKARPACKI KLASTER CZYSTEJ ENERGII

JANUSZ MAGIERA, ANETA GŁUSZEK

Możliwości konwersji

energii słonecznej do energii cieplnej

w warunkach polskich

STRESZCZENIE: Omówiono rozwój polskiej energetyki słonecznej na przestrzeni ostatnich lat oraz jej stan

aktualny. Przeanalizowano roczne korzyści ekonomiczne i ekologiczne z instalacji grzewczej zawierającej różne

źródła ciepła, w tym kolektory słoneczne. Przedstawiono wyniki badań sprawność kolektorów płaskich z pokry-

ciem selektywnym oraz próżniowych rurowych w warunkach rzeczywistych. Wskazano źródła dofinansowania

dla budowy instalacji z kolektorami słonecznymi.

Kolektory słoneczne służą do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło, które

jest transportowane za pomocą czynnika solarnego do wymiennika – zasobnika ciepła. Wa-

żnym elementem decydującym o efektywności działania kolektora słonecznego jest jego

sprawność oraz intensywność nasłonecznienia. Na terenie Polski nasłonecznienie jest

zbliżone do północnej Francji i Niemiec. Średnia gęstość strumienia energii zawiera

się w przedziale od 600 do 800 W/m 2 . Przy założeniu, że w ciągu roku powierzchnia Pol-

ski jest naświetlana średnio przez 1500 godzin, odpowiada to 900–1200 kWh/m 2 energii

padającej na powierzchnię płaską kolektora.

1. Kolektory słoneczne w Polsce

na tle innych krajów Unii Europejskiej

W 2006 roku produkcja energii elektrycznej w Polsce wyniosła ogółem 160 848 GWh,

w tym z odnawialnych źródeł energii – ok. 70 GWh, co stanowiło 0,04% w całkowitym bi-

lansie energetycznym (Bojanowicz 2007). Według danych europejskiego centrum informa-

cyjnego – EurObserv’ER całkowita powierzchnia kolektorów słonecznych zamontowanych

234

J. Magiera, A. Głuszek

w Polsce do końca 2006 r. wynosiła ok. 164 tys. m 2 , co odpowiadało 114,7 MW zainstalowa-

nej mocy cieplnej lub 3,0 MW w przeliczeniu na 1000 mieszkańców (EurObserv’ER 2007).

Wyniki badań przedstawione w maju 2008 r. na Forum Przemysłu Energetyki Słonecznej

wskazują natomiast, że w 2007 r. ogólna powierzchnia zainstalowanych w Polsce kolekto-

rów słonecznych sięgała ok. 235 tys. m 2 , a w przeliczeniu na moc cieplną – 164,5 MW, tj.

4,3 MW/1000 mieszkańców. Polska znalazła się na 12 miejscu wśród krajów Unii Europej-

skiej (UE) pod względem zainstalowanych powierzchni kolektorów słonecznych. Na rysun-

ku 1 przedstawiono procentowy bilans wielkości zamontowanych kolektorów słonecznych

w roku 2006 w 25 krajach UE z wyszczególnieniem Polski. Z rysunku 1 widać, że istnieje

duża dysproporcja pomiędzy Polską a krajami, w których rynek jest już rozwinięty, a wa-

runki klimatyczne podobne, jak np. Niemcy.

Zgodnie ze scenariuszem rozwoju technologii odnawialnych źródeł energii (Minister-

stwo Środowiska 2001), przy założeniu 7,5% ich udziału w bilansie energetycznym Kraju

oraz wysokości niezbędnych dopłat ze środków publicznych, przewiduje się, że do 2010 ro-

ku ilość zainstalowanych słonecznych cieczowych kolektorów w Polsce będzie odpowiadać

mocy 700 MW, co łącznie z już istniejącymi pozwoli na uzyskanie 0,9% udziału w całko-

witym bilansie energetycznym. W tym samym czasie przewiduje się zainstalowanie syste-

mów fotowoltaicznych o mocy ok. 2 MW.

Rys. 1. Procentowa wielkość zamontowanych kolektorów słonecznych w 25 krajach UE w roku 2006

(EurObserv’ER 2007)

Rozwiązania bazujące na wykorzystaniu energii słonecznej cieszą się dużym zaintere-

sowaniem wśród właścicieli hoteli, moteli, domów wczasowych, a także właścicieli domów

mieszkalnych, ze względu na możliwości zmniejszenia kosztów wytwarzania ciepłej wody

użytkowej (CWU). Ciągle jeszcze zbyt rzadko systemy słoneczne wspierają ogrzewanie po-

Możliwości konwersji energii słonecznej do energii cieplnej...

235

mieszczeń (CO). Opłacalność wykorzystania kolektorów słonecznych do produkcji ciepłej

wody zależy od wielkości zapotrzebowania na CWU oraz od ceny energii. Przy dużym za-

potrzebowaniu na CWU, a do tego przy ciągle wzrastającej cenie energii, czas zwrotu kosz-

tów poniesionych na wykonanie instalacji kolektorów słonecznych będzie krótki. Według

danych statystycznych w prywatnych gospodarstwach domowych w Polsce przeciętnie ok.

11,7% budżetu przypada na koszty energii. Można więc mówić o ubóstwie energetycznym

(ang. energy poverty ), gdyż wydatki na energię przekraczają 10% (Włodarski, Więcka 2008).

Na rysunek 2 przedstawia tempo wzrostu cen energii cieplnej w latach 2001–2007 wytwo-

rzonej przy wykorzystaniu różnych nośników energetycznych (Wach 2007).

Rys. 2. Zmiana cen energii cieplnej [zł/GJ] wytworzonej z wykorzystaniem

różnych nośników energetycznych w latach 2001–2007 (Wach 2007)

Według szacunków, które obarczone są ciągle dużym błędem, na rynku polskim

w 2007 r. zainstalowano kolektory słoneczne o łącznej powierzchni ok. 67 tys. m 2 , tj. o 61%

więcej niż w roku 2006 (rys. 3). Szacuje się, że w 2006 r. rynek kolektorów słonecznych

w 84,5% zdominowany był przez kolektory płaskie cieczowe. Niewielką część rynku ok.

15,1% stanowiły kolektory próżniowe, reszta – ok. 0,4% to kolektory nieoszklone, stosowane

np. w systemach ogrzewania basenów (EurObserv’ER 2007). W roku 2007 również najle-

piej sprzedawały się kolektory płaskie cieczowe, a ich udział w całkowitej sprzedaży wyno-

sił 69%. Według danych Instytutu Energetyki Odnawialnej 39% wszystkich dostępnych

w 2007 r. na terenie Polski typów kolektorów słonecznych pochodziło z importu (IEO 2007).

Największą część stanowiły kolektory produkcji niemieckiej i austriackiej. Kolektory chińskie,

zwłaszcza próżniowe, cieszyły się dużą popularnością ze względu na relatywnie niską cenę.

Sumaryczna liczba firm oferujących na terenach Polski kolektory słoneczne producentów

krajowych i zagranicznych w 2006 r. nie przekroczyła 40. Większość producentów krajo-

236

J. Magiera, A. Głuszek

wych zlokalizowana jest w Polsce południowej, w województwach: śląskim i małopolskim.

W pozostałych regionach Polski przeważają dystrybutorzy i przedstawiciele firm zagranicznych.

Produkowane obecnie systemy solarne charakteryzują się wyższą jakością i sprawnoś-

cią niż te z lat 80., a ich cena z roku na rok jest coraz atrakcyjniejsza, co wynika ze zwięk-

szenia skali produkcji i automatyzacji wytwarzania. Sprawia to, że kolektory słoneczne za-

czynają być coraz bardziej opłacalne, a to wpływa na ich upowszechnianie.

Rys. 3. Sprzedaż kolektorów słonecznych w Polsce, w latach 2000–2007

(Więcka, Kwasiborski 2008)

2. Wyniki badań własnych instalacji

z kolektorami słonecznymi

W Instytucie Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Krakowskiej od kilku lat pro-

wadzone są badania efektywności pracy kolektorów słonecznych oraz wykonywane są pro-

jekty i badania instalacji zintegrowanych, czyli takich które wykorzystują różne źródła energii

(Magiera 2004). Przykładem może być instalacja grzewcza pracująca w domu jednorodzin-

nym koło Krakowa. W jej skład wchodzą: 4 płaskie cieczowe kolektory słoneczne z pokry-

ciem selektywnym o powierzchni absorpcyjnej 1,83 m 2 , kominek z płaszczem wodnym

opalany drewnem o mocy 24 kW, kondensacyjny kocioł gazowy o mocy maksymalnej 18 kW

i panele fotowoltaiczne.

Instalacja została tak oprzyrządowana, że pozwala na ciągły bezobsługowy pomiar tem-

peratur, natężeń przepływów, strumieni ciepła oraz na obliczenie energii wytworzonej lub

odebranej przez dane źródło.

Możliwości konwersji energii słonecznej do energii cieplnej...

237

Wszystkie źródła ciepła oddają energię do zasobnika o pojemności 1 m 3 zaopatrzone-

go w dwie wężownice. W jednej z nich jest przygotowywana CWU, druga oddaje ciepło

dostarczone przez kolektory słoneczne. Instalacja jest sterowana automatycznie. Gdy tem-

peratura w zasobniku spadnie poniżej minimalnej zadanej w programie wartości, układ

wspomaga swoją pracę energią generowaną z kotła gazowego. Kolektory słoneczne zasilają

dolne warstwy zasobnika, co pozwala na maksymalne wykorzystanie energii słonecznej

nawet w okresach mniejszego nasłonecznienia. Kominek opalany drewnem, wyposażony

w płaszcz wodny podłączony jest bezpośrednio do instalacji i oddaje energię generowaną pod-

czas spalania do zasobnika. Energia ta jest wykorzystana zarówno do wytworzenia CWU

jak i do CO.

Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy roczny bilans energii dla badanego obiektu

z wyszczególnieniem jej źródeł i odbiorników.

Rys. 4. Produkcja i zużycie energii dla badanego obiektu w 2006

Całkowita energia wyprodukowana w 2006 r. wynosiła 21950,24 kWh, z czego 45%

pochodziło z odnawialnych źródeł energii. Energia uzyskana z kolektorów słonecznych po-

kryła roczne zapotrzebowanie na energie w 7%. Najwięcej energii wyprodukowano ze słoń-

ca w lipcu, uzyskując 353,64 kWh co stanowiło ok. 90% całkowitej wytworzonej energii

w tym miesiącu. W ciągu roku zanotowano 87 dni w których nie wyprodukowano energii ciepl-

nej z kolektorów, oraz 151 dni w których całość pozyskanej energii pochodziła ze słońca.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: