Energia słoneczna

     Energia promieniowania słonecznego  jest najbardziej atrakcyjną, z punk­tu widzenia środowiska, energią odnawialną. Wykorzystanie jej nie powoduje żadnych efektów ubocznych ani emisji szkodliwych substancji. Nie następuje zu­bożenie jej zasobów naturalnych. Energia promieniowania słonecznego jest energią łatwo dostępną, ale cha­rakteryzującą się małą gęstością strumienia i dużą stochastycznością występo­wania.
Różne metody konwersji energii słonecznej w energię użyteczną:
— konwersja fototermiczna(cieplna), to prze­miana energii promieniowania słonecznego w energię cieplną;
— konwersja fotowoltaiczna (fotoelektryczna), to prze­miana energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną;
— konwersja fotochemiczna, to przemiana energii promieniowania słonecznego w energię chemiczną lub inne formy energii związane z procesami chemicznymi, np. w energię biochemiczną.
Konwersje te mogą występować równocześnie. Z reguły w zastosowaniach praktycznych najczęściej są rozważane dwie pierwsze formy konwersji.
Energia promieniowania słonecznego pełni bardzo ważną rolę w budownictwie niskoenergetycznym. Przykładem jej wykorzystania jest np. system słoneczny do c.w.u.

Warunki napromieniowania w Polsce
Energia promieniowania słonecznego jest dostępna w różnym stopniu w rożnych krajach. Całkowite roczne usłonecznienie w Polsce jest względnie duże, jednakże cha­rakteryzuje się ono znaczną nierównomiernością rozkładu w skali roku. W lecie wartości natęże­nia promieniowania są duże i stwarzają korzystne warunki do wykorzystania energii promieniowania słonecznego do celów użyt­kowych. 80% całkowitej rocznej su­my napromieniowania na płaszczyznę poziomą przypada na sześć miesięcy se­zonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, a tylko 20% na okres, który odpowiada sezonowi grzewczemu.
Wartości natężenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi w Polsce są zróżnicowane:
- wysoko w górach i nad morzem, od 9.00 do 15.00 maksymalne (chwilowe) natężenie promieniowania bezpośredniego może docho­dzić do 1000 W/m2;
- nad morzem promieniowanie osią­ga maksymalne wartości, tam też występuje maksymalne roczne napromieniowanie, które z reguły jest na poziomie 4000-4200 MJ/m2 (l 100-1160 Kwh/m2),
- w re­gionie górnośląskim występują minimalne wartości rocznego napromieniowania, mogą one spadać do wartości 3200 MJ/m2 (ok. 900 Kwh/m2);
Polskę podzielono na 11 regionów odpowiadających różnym stop­niom przydatności tych obszarów pod względem możliwości wykorzystania ener­gii promieniowania słonecznego, począwszy od „najlepszych" do „najgorszych": 1. rejon nadmorski, 2. rejon podlasko-lubelski, 3. rejon śląsko-mazowiecki, 4. rejon świętokrzysko-sandomierski, 5. rejon mazursko-siedlecki, 6. rejon wielkopolski, 7. rejon pomorski, 8. rejon podgórski, 9. rejon suwalski, 10. rejon warszawski, 11. górnośląski rejon przemysłowy.
Średni roczny udział pro­mieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym wynosi ok. 52%, a w czasie czterech miesięcy zimowych od listopada do lutego waha się w zakresie 65-80%. Dlatego instalowane u nas systemy słoneczne muszą wykorzystywać oprócz promieniowania bezpośredniego promieniowanie rozproszone. Urządze­niami tego typu są płaskie i próżniowe kolektory słoneczne w systemach aktyw­nych i odpowiadające im charakterem rozwiązania pasywne struktury budynku.

Aktywny system słoneczny to instalacja, w której przemia­na energii promieniowania słonecznego w energię użyteczną zachodzi w odpo­wiednich elementach składowych (kolektory słoneczne wraz z nośnikiem ciepła, tj. woda, powietrze lub mieszanka nieza­marzająca), w sposób wymuszony działaniem urządzeń mechanicznych napędzanych dodatkową energią z zewnątrz. Zadaniem aktywnego grzewczego systemu słonecznego jest pochłanianie i ma­gazynowanie energii promieniowania słonecznego, a następnie w sposób kon­trolowany rozprowadzanie jej do odbiorcy.
Do podstawowych typów kolektorów słonecznych należą:
- płaskie kolektory cieczowe, najczęściej stosowane;
- kolektory próżniowe wodne, występujące z reguły w postaci rurowej (od kilku do kilkunastu lub nawet 30 równoległych rur);
Elementy składowe aktywnych systemów słonecznych:
- przezroczysta osłona, absorber z kanałami prze­pływowymi oraz obudowa zewnętrzna;
- zbiornik magazynujący, najczęściej stosuje się magazy­nowanie krótkoterminowe, a zmagazynowana w zbiorniku energia może być zużytkowana w sposób bezpośredni lub za pośrednictwem dodatko­wych urządzeń i układów. Medium magazynującym może być woda, materiały PCM (Phase Change Material, wykazujące zdolność do zmia­ny stanu skupienia w niskich temperaturach) lub złoże kamienne w systemach powietrznych;
- rurociągi, pompy cyrkulacyjne, wymienniki ciepła, urządzenia zabezpieczające przed niepożąda­nym wzrostem ciśnienia i temperatury, układy automatyczne kontroli i sterowa­nia działaniem poszczególnych obiegów i urządzeń oraz pomocnicze (z reguły konwencjonalne) systemy grzewcze, ewentualnie inne urządzenia wspomagające, np. pompy ciepła.
Pompa ciepła może być włączona w instalację słoneczną w różny sposób:
- w sys­temie szeregowym- wykorzystuje jako dolne źródło ciepła energię słoneczną zmagazynowaną w zbiorniku magazynującym;
- w systemie równoległym- wykorzystuje inne niż słoneczne niezależne źródło ciepła, np. grunt, wody powierzchniowe lub gruntowe, powietrze;
- może być też dwuźródłowa, wkorzystując to źródło, którego wydajność i tem­peratura jest aktualnie większa;

Przed zastosowaniem słonecznych systemów grzewczych należy spełnić podstawowe warunki obowiązujące przy projektowaniu budynków energooszczędnych, a więc doprowadzić do jak najmniejszego zapotrzebowania na energię i za­pewnić właściwe jej wykorzystanie w trakcie eksploatacji obiektu.
Aby aktywne systemy słoneczne mogły efektywnie funkcjonować w okresie zimy należy:
— przestrzegać zasad poszanowania energii, stosując odpowiednie konwencjo­nalne i niekonwencjonalne metody zmniejszenia zapotrzebowania na ciepło, a następnie jego zużycia,
— wykorzystywać przede wszystkim niskotemperaturowe instalacje grzewcze (np. ogrzewanie podłogowe, ścienne),
— stosować kolektory słoneczne o wysokiej sprawności pozyskiwania energii dostępnej w otoczeniu (np. kolektory próżniowe);
— stosować urządzenia-zbiorniki do magazynowania energii o charakterze krót­koterminowym (od kilku godzin do kilku dni) lub, jeśli jest taka możliwość, systemy sezonowego magazynowania energii promieniowania słonecznego (z okresu letniego na zimowy),
— umożliwić współpracę z urządzeniami szczytowymi (np. kotłami na bio­masę, kotłami gazowymi) lub z odpowiednimi systemami wspomagającymi (np. z pompą ciepła).

Pasywny system słoneczny jest to taki, w którym konwersja energii pro­mieniowania słonecznego w ciepło zachodzi w sposób naturalny, niewymuszony działaniem urządzeń mechanicznych, a przepływ pozyskanego ciepła odbywa się w sposób samoregulujący na drodze konwekcji swobodnej, przewodzenia i pro­mieniowania.
Prze­miana energii promieniowania słonecznego w energię cieplną (konwersja fototermiczna) zachodzi dzięki odpowiednio zaprojektowanym elementom struktury budynku:
- elewacja i ściany wewnętrzne pełnią funkcję kolektorów słonecznych, w tym celu bardzo ważne jest odpowiednie rozwiązanie zwłaszcza elewacji południowej oraz odpowiednia warstwa izolacji części elewacji niepełniącej funkcji kolektorów słonecznych, zwłaszcza ściany północnej;
- specjalnie zaprojektowane kanały grzewczo-klimatyzacyjne lub wentylacyjne pełnią funkcję kanałów przepływowych do rozprowadzania pochłoniętej energii promienio­wania słonecznego;
- ściany wewnętrzne pełnią funkcję magazynów pozyskanej energii cieplnej;
Systemy pasywne można podzielić na dwa podstawowe typy:
— system zysków bezpośrednich, wykorzystuje energię promieniowania słonecznego docierającą bezpośrednio do pomieszczeń. Pozyskanie, akumulowanie i wykorzystanie energii promieniowania słonecznego odbywa się w tym samym pomieszczeniu, które pełni funkcje kolektora, magazynu i systemu grzewczego równocześnie. Najprostrzym przykładem systememu pasywnego wykorzystują­cego w sposób bezpośredni energię promieniowania słonecznego jest jakiekolwiek pomieszczenie z oknem.

rys.1- źródło: 'Building construction illustrated' F.D.K. Ching

Okna od strony południowej są podstawowym elementem systemu zysków bezpośrednich. Promieniowanie słoneczne po przejściu przez, przezroczyste osłony dociera do ścian pomieszczenia i podłogi (izolowanych cieplnie od zewnątrz), które pełnią funkcję magazynów ciepła i w wyniku pochłaniania promieniowania słonecznego same stają się źródłem ciepła. System ten jest najkorzystniejszy w zimie, latem dostęp promieniowania słonecznego do pomieszczeń w budynku powinien być ograniczony, by nie powodować przegrzania. W celu zwięk­szenia strumienia dopływającej energii stosuje się okna o większej powierzchni, ma to jednak i swoje wady, tj. zwiększenie strat cieplnych, gwałtowne wahania temperatury, często niepożądane i uciążliwe dla mieszkańców - w celu minimalizacji dyskomfortu ilość ciepła i światła docierającego przez okna musi być regulowana;

— system zysków pośrednich, posiada zalety systemu zysków bezpośrednich, bez jego wad. Polega on na odizo­lowaniu wnętrza budynku od bezpośredniego oddziaływania promieniowania sło­necznego, przy zachowaniu możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego w sposób pośredni, dzięki temu ciepło jest akumulowane i odzyskiwane wtedy, gdy istnieje na nie zapotrzebowanie.

Podstawowe rodzaje systemu zysków pośrednich:

   1* ze ścianą kolektorowo-akumulacyjną:

          - pełną;

          -  wentylowaną;

  2 * ze ścianą kolektorową;

  3 * z przestrzenią buforową:

         - oddzielony od ogrzewanego pomieszczenia przez przezroczystą przegrodę;

         - oddzielony od ogrzewanego pomieszczenia przez ścianę akumulacyjną;

Niektóre z powyższych rozwiązań mogą występować jednocześnie, inne wy­kluczają się nawzajem.

Ad.1*: Systemu zysków pośrednich ze ścianą kolektorowo-akumulacyjną:

rys.2- źródło:'Building construction illustrated' F.D.K. Ching

Ściana kolektorowo-magazynująca (wentylowana lub nie) tzw. ściana Tromba (włoski architekt, pomysłodawca rozwiązania), najczęściej jest koloru czarnego, aby zwiększyć swą zdolność do pochłaniania energii promieniowania słoneczne­go, a z zewnątrz posiada szklaną osłonę. Wysokość ściany powinna być względnie duża, aby możliwe było uzyskanie dużej różnicy temperatury, a w kon­sekwencji różnicy gęstości między nagrzewanym powietrzem a chłodniejszym powietrzem dopływającym od dołu, w przestrzeni pomiędzy ścianą a szklaną osłoną, co w efekcie pozwala na powstanie siły wyporu inicjującej termodyfuzję, czyli naturalny przepływ powietrza.

Pozyskiwana energia jest przekazywana przez przewodzenie:

   - do wnętrza z odpowiednim opóźnieniem;

   - na zewnątrz;

   - zachodzi kompensacja strat ciepła na zewnątrz;

Ściana kolektorowo-magazynująca wentylowana ma otwory cyrkulacyjne nad podłogą i pod sufitem lub układ wewnętrznych kanałów powietrznych. Chłodniej­sze powietrze wpływa przez otwór u dołu do szczeliny pomiędzy przezroczystą osłoną a ścianą, ogrzewa się i jako powietrze o mniejszej gęstości jest wypiera­ne do góry, skąd przez górny otwór wraca do pomieszczenia. Regulacja ilości cyrkulującego powietrza może odbywać się dzięki otwieraniu i zamykaniu otwo­rów cyrkulacyjnych lub zmianie średnicy ich przekroju oraz przez zasłanianie elewacji za pomocą okiennic, żaluzji czy rolet.

Zalety systemu zysków pośrednich ze ścianą kolektorowo-akumulacyjną:

   * niewielkie wahania tem­peratury wewnątrz ogrzewanych pomieszczeń

Wady systemu zysków pośrednich ze ścianą kolektorowo-akumulacyjną:

   * długi czas nagrzewania się ściany kolektorowo-magazynującej;

   * bardzo słaba cyrkulacja nagrze­wanego powietrza;

   * straty cieplne przez promieniowanie w zewnętrznej części ściany kolektorowo-magazynującej, gdy nagrzeje się ona do wysokiej temperatury;

   * duże straty cieplne przez ścianę kolektorowo-magazynującą w dni o niewielkim nasłonecznieniu, sciana działa wtedu jak duży mostek cieplny ( by ściana spełniała swoja rolę nie może mieć izolacji cieplnej). Duże straty ciepła przy niskich temperaturach, widoczne są szczególnie w krajach, gdzie nasłonecznienie jest gorsze, zimy długie i ostre oraz częste i długie okre­sy zachmurzenia;

   * przy bra­ku wentylacji w szczelinie między szybą a ścianą magazynującą, możliwość wykraplania się pary wodnej w samej strukturze ściany, przy dłuższych okresach pochmurnej pogody;

Systemy zysków pośrednich ze ścianą kolektorowe-akumulacyjną pełną i wen­tylowaną są zalecane do stosowania w krajach o dobrym nasłonecznieniu i cie­płym klimacie, charakteryzującym się łagodnymi zimami. Natomiast w krajach o gorszym nasłonecznieniu zaczęto poszuki­wać innych rozwiązań, tj. przestrzenie buforowe, izo­lacja transparentna oraz ściany o strukturze szczelinowej, kanałowej lub poro­watej, we wnętrzu których, w celu intensyfikacji wymiany ciepła, instaluje się małe wentylatory wymuszające przepływ ciepła (system semi-pasywny).

Ad. 3 *: System zysków pośrednich z przestrzenią buforową, to taki, w którym przestrzeń pomiędzy otoczeniem zewnętrznym a ogrzewaną przestrzenią użytkową pełni funkcję bufo­ra cieplnego. Bufor cieplny jest zlokalizowany od strony południowej elewacji, najczęściej jest nim dodatkowa przestrzeń osłonięta przeszkloną ścianą (oszklone werandy, loggie, ogrody zimowe, atria) lub dodatkowa szklana elewacja.

Przestrzeń buforowa:

   - umieszczona od strony południowej;

   - ogrzewana promieniowaniem słonecznym w sposób bezpośredni, występują w niej gwałtowne i duże zmiany temperatury;

   - zmniejsza straty ciepła przylegających pomieszczeń;

   - w naszych warunkach klimatycznych musi być wentylowana, a projekt wentylacji tych przestrzeni jest ważnym elementem całości projektu systemu pasywnego;

rys.3- źródło:'Building construction illustrated' F.D.K. Ching

Rodzaje połączenia przestrzeni buforowej z ogrzewanym pomieszczeniem:

   - masywną ścianą magazynującą, takie rozwiązanie pełni funkcję systemu słonecznego złożonego z kolektora i zasobnika ciepła. Regula­cja procesów wymiany ciepła odbywa się w wyniku zmiany przepływu powietrza (między werandą a ogrzewanym pomieszczeniem) przez kanały cyrkulacyjne i za­słanianie (roletami, żaluzjami) w miarę potrzeby szklanej osłony werandy;

   - przezroczystą przegrodą, w tym rozwiązaniu mamy więc podwójną przezroczystą osłonę, a elementami magazynującymi ciepło są ściany i stropy;

   - podwójny układ przestrzeni buforowych:

   * ze ścianą wewnętrzną kolektorowo-magazynującą;

   * ze ścianą wewnętrzną przeszkloną, rozwiązanie to zmniejsza straty cieplne do otoczenia, zachowując bezpośrednią możliwość wykorzystania energii promieniowania słonecznego;  

Zalety systemu zysków pośrednich z przestrzenią buforową:

   * brak nagłych, stochastycznych (przypadkowych) zmian pogodowych;

   * umożliwia ograniczenie dostępu energii promieniowania słonecznego w lecie, w zimie zaś wykorzystanie zysków słonecznych przez po­mieszczenia zlokalizowane głębiej w budynku;

   * dodatkowa oszklona elewacja rozwiązuje także problem akustyczny (zagrożenie hałasem), szczególnie w budownictwie wielokondygnacyjnym, zlo­kalizowanym przy ruchliwych trasach komunikacyjnych;

   * systemy pasywne z przestrzenią buforową mogą być łatwo stosowane w już istniejących budynkach i wykonywane w ra­mach termomodernizacji;

Izolacje transparentne łączą cechy izolacji cieplnych i materiałów transparentnych (przezroczystych) dla promieniowania słonecznego. Stosowanie ich pozwala na wykorzystanie energii promieniowania słonecznego, przy znacznym ogranicze­niu strat ciepła.

Zastosowanie izolacji transparentnych:

- przegrody przezroczyste (daylight walls), umożliwiają dostęp energii promieniowania słoneczne­go, a więc i światła, bezpośrednio do wnętrza pomieszczeń, dają efekt japońskich ścian papierowych (nie ma możliwości patrzenia przez te ściany na zewnątrz);

- materiały izolacyjne, umieszczane na zewnętrznej elewacji bu­dynków, promieniowanie słoneczne przechodzi przez nie i jest pochłaniane przez powierzchnię ściany znajdującą się pod izo­lacją, wskutek tego ściana nagrzewa się i przekazuje część pochłoniętej energii przez przewodzenie do wnętrza, część natomiast  jest wypromieniowywana ze ściany na zewnątrz w postaci promieniowania cieplnego (długofalowego). Promieniowanie cieplne nie może się wydostać na zewnątrz do otoczenia, ponie­waż izolacja transparentna jest materiałem nieprzezroczystym dla promieniowania długofalowego;

W celu uniknięcia strat ciepła przez izolację wskutek przewodzenia, przestrzeń w materiale transparentnym wypełniona jest materiałem o małej gęstości, np. powietrzem lub innym gazem.

rys.4- źródło: 'Budownictwo ogólne- fizyka budowli' tom2 praca zbiorcza pk. Piotra Klemma

Cechy materiałów stosowanych na izolacje transparentne:

— duża transmisyjność dla promieniowania słonecznego, szczególnie dla zakre­su widzialnego, co jest osiągane przez stosowanie materiałów przezroczy­stych, np. szkła o niskiej zawartości żelaza, lub cienkich warstw z poliwęglanów;

— niska transmisyjność dla promieniowania cieplnego, co jest uzyskiwane dzięki stosowaniu wewnętrznych pokryć refleksyjnych, warstw o niskiej emisyjności dla długofalowego promieniowania podczerwonego;

— niska przewodność cieplna, co jest osiągane dzięki stosowaniu lekkich mate­riałów zawierających w swej objętości znaczne ilości gazów lub próżnię;

— ograniczona wymiana ciepła wskutek konwekcji, co jest osiągane przez stoso­wanie szczelnie zamkniętych przestrzeni w celu uniknięcia ruchu cząsteczek gazu;

W wyniku kombinacji powyższych właściwości otrzymuje się element izo­lacyjny, charakteryzujący się współczynnikiem przenikania ciepła w granicach 0,4-0,6 W/(m²-K), przy jednoczesnym 70-procentowym zapewnieniu transmisyjności dla promieniowania słonecznego.

rys.4- źródło: 'Budownictwo ogólne- fizyka budowli' tom2 praca zbiorcza pk. Piotra Klemma

W celu zachowania właściwości izolacyj­nych powietrza i uniknięcia jednocześnie strat ciepła wskutek konwekcji, dąży się do zamknięcia powietrza w szczelnej przestrzeni.

Rodzaje izolacji transparentnych:

- o struk­turze plastra miodu (honey comb);

- o struk­turze kapilar włoskowatych zamkniętych w prze­strzeniach wypełnionych gazem;

- z przestrzenią powietrzną wypełnioną  materiałem o małym współczynniku przewodności cieplnej, jak aerożel czy włókna szklane;

Wady :

   * latem pomieszczenia sąsiadujące z przegrodami zewnętrznymi o izolacji transparentnej mogą ulegać przegrzaniu, stąd dobrze w tym systemie stosować zewnętrzną roletę (patrz rys.40);

   * w przypadku stosowania aerożelu wada jest jego kruchość i zła odporność na wodę, po zawilgoceniu struktura materiału ulega zniszczeniu;

   * materiały o strukturze plastra miodu czy o budowie kapilarnej nie są zalecane do stosowania na ściany oświetleniowe, bowiem ich reflektancja od strony wewnętrznej jest tak wysoka, że dają zbyt duży (nieprzyjemny dla oka) odblask w pomieszczeniach;

źródło:

'Budownictwo ogólne- fizyka budowli' tom2 praca zbiorcza pk. Piotra Klemma

'Building construction illustrated' F.D.K. Ching

Copyright © autor: Jadwiga Górnicz www.dolinka.eu