"Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego
do podgrzewania wody użytkowej w Polsce. "

Słońce wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną w każdej sekundzie energię wynoszącą 3,826*10²⁶J. W kierunku Ziemi wysyłany jest strumień promieniowania cieplnego o gęstości 1,73*10¹⁶W. Szacunkowo jedna trzecia tej energii zostaje odbita od atmosfery i powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Pozostała część energii promieniowania, tzn. około 1,153*10¹⁶J, w każdej sekundzie zasila powierzchnię Ziemi oraz jej atmosferę. Wielkość ta jest około 20 000 razy większa od całkowitej energii wytwarzanej na Ziemi. Ziemia otrzymuje "darmową" energię promieniowania Słońca będącą źródłem pierwotnym kopalnych zasobów paliw, energii związanej w biomasie oraz odnawialnych energii przemieszczających się mas powietrza, wody oraz ciepłych prądów morskich.
Głównym powodem zainteresowania energią słoneczną jest bardzo długi, z perspektywy ludzkiej, okres jej eksploatacji. Prognozowany czas aktywności Słońca wynosi około 5 mld lat, zaś ograniczone zasoby kopalnych nośników energii zmuszają do intensywnego poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Wzrost gospodarczy wielu krajów świata wiąże się z konsumpcją coraz większej ilości energii i spalaniem dotychczas jeszcze najtańszych nośników energii- a mianowicie ropy naftowej, gazu i węgla. Tak intensywna eksploatacja tych paliw prowadzi do ubożenia ich zasobów. Prognozowany okres dostępności paliw kopalnych na Ziemi wynosi od 40 do 100 lat. Autorzy różnych opracowań nie są zgodni co do dokładnej długości okresu eksploatacji. Rozbieżności opinii w tej kwestii przedstawia wykres nr 1 (jaśniejsza część wykresu obrazuje rozbieżności różnych prognoz). Nie ulega wątpliwości, że jest to czas bardzo krótki.

Ilość energii promieniowania słonecznego padająca na jednostkową powierzchnię atmosfery ziemskiej z kosmosu jest równa około 1400[W·m-2]. Promieniowanie słoneczne, przechodząc przez atmosferę ziemską, zostaje częściowo pochłonięte, odbite i rozproszone przez cząsteczki powietrza nawet przy niezwykle czystym niebie. Wielkość strat waha się od 33% do 60% wartości stałej słonecznej wg Kowalika (1995). Do powierzchni Ziemi docierają więc trzy składowe promieniowania słonecznego: bezpośrednie, rozproszone i odbite. Składowa promieniowania bezpośredniego jest największa przy bezchmurnym niebie i wysokiej przeźroczystości powietrza. Składowa promieniowania rozproszonego dominuje przy zachmurzonym niebie.Największą wartość natężenia promieniowania bezpośredniego zarejestrowano w Polsce na Kasprowym Wierchu. Wynosiła ona ok.1200 [W·m-2]. Wartości chwilowe promieniowania całkowitego mogą w Polsce dochodzić nawet do 1250 [W·m-2]. Najczęściej mierzone wartości natężenia promieniowania bezpośredniego notowane w godzinach od 9.00 do 15.00 , wahają się w przedziale 600 ¸800 [W·m-2] (Gogół 1993). Parametr ten jest bardzo przydatny do określenia szacunkowej mocy jednostkowej kolektora.
Usłonecznienie, wyrażane w [h], określa się jako średnią liczbę godzin bezpośredniej operacji słonecznej w danym odcinku czasu np. w ciągu doby, miesiąca bądź roku (Gogół 1993). Średnie usłonecznienie roczne w Polsce waha się od 1226 h do 1927 h. Znajomość tego parametru w danym regionie umożliwia dobór odpowiedniego typu kolektora.
Napromieniowanie całkowite, nazywane inaczej insolacją, wyrażane w [kW×h×m-2], stanowi sumę napromieniowania bezpośredniego, rozproszonego i odbitego. Odzwierciedla ono wartość energii słonecznej napromieniowanej na jednostkową powierzchnię płaską w ciągu określonego odcinka czasu (roku, miesiąca, dnia, godziny). Wartości roczne napromieniowania całkowitego charakterystyczne dla Polski wynoszą 1000 [kW×h/m2 rok] ± 10% (Gogół 1993). Znajomość wartości tego parametru jest bardzo istotna przy projektowaniu wielkości pola kolektorów.
Oprócz znajomość wartości powyższych trzech parametrów promieniowania, należy pamiętać, że 80% rocznego napromieniowania przypada na okres od kwietnia do września, a pozostałe 20% na miesiące jesienno-zimowe. Zróżnicowanie to jest następstwem ruchu obrotowego Ziemi wokół swojej osi i jednocześnie wokół Słońca oraz zmiennych warunków meteorologicznych (Smolec 2000). Możliwe jest przybliżone oszacowanie zysków energetycznych płynących z zastosowania kolektorów słonecznych w różnych porach roku.
Dokonując tych szacunków zakładamy, że płaszczyzny kolektorów są nachylone pod kątem 450 w stosunku do powierzchni poziomej oraz skierowane na południe. W okresie od maja do sierpnia dobowa wartość całkowitego napromieniowania wynosi około 5 [kW×h/m2 dobę]. Oznacza to pięciogodzinny okres promieniowania z natężeniem 1000 [W·m-2]. W rzeczywistości jednak rozkład ilości napromieniowanej energii nie jest tak równomierny. Energia promieniowania słonecznego z różną intensywnością dociera do powierzchni kolektora przeciętnie przez 15,5 godzin w ciągu doby w okresie letnim. Produkowane obecnie systemy do podgrzewania wody wyposażone w kolektory słoneczne pozwalają na wykorzystanie średnio 1/3 docierającej do nich energii promieniowania (Schabbach, Kirchoff i Körner 1997). Efektywnie pozyskana energia w procesie fototermicznym w tym okresie wyniesie zatem około 1,7 [kW×h/m2 dobę]. Wystarczy to na podgrzanie 50 litrów wody o 300 C. Podsumowując, można szacować, że z powierzchni 1 m2 kolektora solarnego można ogrzać w miesiącach letnich 50 litrów wody od 120 C do 42 0 C na dobę.
Niestety średnia dawka dziennego promieniowania słonecznego w czterech miesiącach o najmniejszej ilości godzin dziennych (od listopada do lutego) wynosi tylko około 1 [kW×h/m2 dobę]. Ilość efektywnie wykorzystywanej energii przestawia więc wartość 0,33 [kW×h/m2 dobę]. Wystarczy ona na podgrzanie o 300 C niespełna 10 litrów wody. Nie zaspokoi to w pełni potrzeb energetycznych podgrzewania wody użytkowej. Z tego względu system podgrzewu wody użytkowej należy wyposażyć w dodatkowe urządzenia grzewcze. Mogą one być również niezbędne w okresie letnim przy niesprzyjających warunkach pogodowych. Z powodu okresowo występujących braków energii promieniowania słonecznego powierzchnię kolektorów słonecznych dobiera się tak, aby uzyskana z niej energia nie przekraczała 60% zapotrzebowania na ciepło. Przekroczenie 60% uzysku powoduje niepełne wykorzystanie kolektorów w okresie letnim. W przypadku małych instalacji, takich jak np. w domach jednorodzinnych, zaleca się dobór powierzchni kolektorów zaspokajający od 50% do 60% rocznego zapotrzebowania na energie do podgrzewania wody. Dla większych instalacji takich jak: domy wielorodzinne, hotele, pensjonaty, ośrodki wypoczynkowe czy gospodarstwa agroturystyczne, stopień pokrycia nie powinien być wyższy niż 40% (Viessmann 2000).
Pozostaje nadal aktualne pytanie czy oszacowane powyżej ilości energii jakie można uzyskać z kolektorów czynią inwestycje w instalacje solarne opłacalnymi w warunkach polskich. W krajach zachodnich udział tego typu instalacji w dostarczaniu energii systematycznie rośnie. Np. w Niemczech w latach 90-tych liczba kolektorów słonecznych wspomagających podgrzewanie wody w gospodarstwach domowych wzrastała co roku o 30%. Zauważmy, że zasoby helioenergetyczne Polski są bardzo zbliżone do zasobów innych krajów europejskich powszechnie wykorzystujących energię słoneczną. Podobieństwa w ilości energii promieniowania słonecznego docierającej do takich miejscowości jak: Warszawa, Wiedeń, Paryż, Berlin - Poczdam, Suwałki czy nawet Helsinki i Sztokholm, przedstawia wykres nr 2.
Rentowność instalacji kolektorów słonecznych jest oczywiście uzależniona od kosztów inwestycyjnych. Koszty te mogą być zmniejszone dzięki możliwościom korzystania z preferencyjnych kredytów i dofinansowania przez różnego rodzaju fundacje proekologiczne. Ponadto oferta rynkowa producentów tych instalacji jest coraz bogatsza i zawiera urządzenia o różnej jakości i cenach. W wielu przypadkach tańsze urządzenia zapewniają równie dobrą jakość co urządzenia drogie. Inwestycje w instalacje solarne do podgrzewu wody są szczególnie godne polecenia tam, gdzie zużycie tej wody jest bardzo nasilone latem w okresie największego nasłonecznienia , a zmniejsza się radykalnie zimą. Dzieje się tak np. w ośrodkach turystycznych, kempingach czy gospodarstwach agroturystycznych.
Najlepszymi odbiornikami energii z instalacji solarnej są zbiorniki niskotemperaturowe takie jak baseny kąpielowe. Umożliwiają one odbiór ciepła z powierzchni absorberów kolektora już w momencie, gdy osiągnie on temperaturę 320 C (woda basenowa utrzymywana jest wówczas w temperaturze 240 C). Dla porównania dodajmy, że wodę użytkową na ogół podgrzewa się do 45- 500 C. Kolektor musi wówczas osiągnąć temperaturę o 8 stopni wyższą. Im wyższa zaś temperatura pracy kolektora, tym większe ponoszone są straty konwekcyjne energii zwłaszcza w najtańszych nie- próżniowych konstrukcjach kolektorów.
Efektem działań promocyjnych firm produkujących kolektory słoneczne jest wzrastająca od 1999 roku liczba czynnych instalacji tego typu w Polsce. Biorąc pod uwagę doświadczenia krajów sąsiednich wydaje się to atrakcyjną perspektywą wzrostu wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii.

Autor referatu:
mgr inż. Maciej Wesołowski
Wydział Nauk Technicznych
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski

tel. osobisty: 0048 89 5278819
e-mail: wewmac@poczta.onet.pl

Literatura cytowana
[1] Gogół W. 1993: Konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych. Ekspertyza. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa.
[2] Kowalik P. 1995: "Obieg wody w Ekosystemach Lądowych." Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN Zeszyt 9. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
[3] Schabbach T., Kirchoff W., Körner W. 1997: "Solare Brauchwassererwärmung Beratung, Planung, Installation Maszynopis Kassel.
[4] Smolec W. 2000: Fototermiczna Konwersja Energii Słonecznej. PWN. Warszawa;
[5] Viessmann, 2000: "Systemy solarne- wytyczne projektowe". Materiały szkoleniowe firmy Viessmann.

Podsumowanie:

Szacunkowy zysk energetyczny z jednostkowej powierzchni płaskiego kolektora cieczowego zorientowanego na południe
i ustawionego pod kątem 45 % do płaszczyzny poziomej.
W miesiącach:
od maja do sierpnia średnia dobowa wartość napromieniowania wynosi 5 kW*h*m^-1.

Przyjmując 33 % efektywność całego systemu solarnego otrzymujemy średnio 1,7 kW*h*m^-1 energii cieplnej w ciągu doby. Przyjmując ciepło właściwe wody 0,00115 (kWh/kg*K) oraz zakładając jej podgrzanie o 30 ⁰C otrzymujemy niecałe 50 litrów dziennie z 1 m² kolektora płaskiego.

od listopada do lutego średnia dobowa wartość napromieniowania wynosi tylko 1 kW*h*m^-1.

Przyjmując 33 % efektywność całego systemu solarnego otrzymujemy średnio 0,33 kW*h*m^-1 energii cieplnej w ciągu doby. Przyjmując ciepło właściwe wody 0,00115 (kWh/kg*K) oraz zakładając jej podgrzanie o 30 ⁰C otrzymujemy niecałe 10 litrów dziennie z 1 m² kolektora płaskiego.

Z uwagi na nierównomierności rozkładu energii promieniowania słonecznego w ciągu roku wielkość powierzchni kolektorów należy tak wyznaczyć, aby w okresach największych ilości energii możliwy był jej odbiór. Z tego powodu najbardziej optymalne jest dobranie takiej powierzchni kolektorów która zabezpieczałaby pokrycie potrzeb energetycznych dla podgrzania wody użytkowej:
50 - 60% dla małych instalacji oraz nie więcej niż 40% dla dużych instalacji.