KOLEKTORY SŁONECZNEENERGIA SŁONECZNA W MIESZKALNICTWIE, HOTELARSTWIE I DROBNYM PRZEMYŚLE

Warszawa 2008

Grzegorz WiśniewskiStanisław GołębiowskiMarian GryciukKrystian KurowskiAneta Więcka

KOLEKTORY SŁONECZNEENERGIA SŁONECZNA W MIESZKALNICTWIE, HOTELARSTWIE I DROBNYM PRZEMYŚLE

Kierownik projektuMichał Grodzki

Redakcja techniczaStudio

Projekt okładkiAR MEDIUM

Fotografie na okładce pochodzą z materiałów autorów

KorektaMonika Mucha

© Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM

Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej pracy nie może być powielana, czy rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie, w jakikolwiek sposób, bądź elektroniczny, bądź mechaniczny, włącznie z foto-kopiowaniem, nagrywaniem na taśmy lub przy użyciu innych systemów, bez pisemnej zgody wydawcy.

ISBN 978-83-926815-3-3

Wydawca i rozpowszechnianieDom Wydawniczy MEDIUMtel./fax 022 810 21 24, www.medium.media.pl

Skład i łamanie Agencja Reklamowa MEDIUM

Książka pod patronatem miesięcznika

5

Spis treści Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1. Promieniowanie słoneczne. Zasoby energii słonecznej w Polsce1.1. Parametry i składowe promieniowania słonecznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2. Rejonizacja zasobów energii słonecznej w Polsce na potrzeby instalowania

kolektorów słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3. Optymalny kąt nachylenia kolektora słonecznego do poziomu . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.4. Wartości natężenia promieniowania słonecznego oraz liczby godzin słonecznych

w Polsce niezbędne do wstępnych obliczeń kolektorów słonecznych . . . . . . . . . . . . 20

2. Zasada działania, budowa, materiały oraz parametry techniczne kolektorów słonecznych2.1. Zasady konwersji fototermicznej a budowa kolektora słonecznego . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2. Materiały na kolektory słoneczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3. Kolektory słoneczne do podgrzewania wody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.1. Kolektory słoneczne z płaskimi absorberami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3.2. Kolektory słoneczne z absorberami w postaci rur próżniowych . . . . . . . . . . . 32

2.4. Kolektory słoneczne do podgrzewania powietrza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.5. Parametry techniczne i eksploatacyjne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6. Krótki przegląd konstrukcji kolektorów słonecznych wytwarzanych sposobem

gospodarczym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.1. Samodzielna budowa kolektora słonecznego z rur miedzianych

do podgrzewania wody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.2. Zbiornik wodny jako prosty kolektor energii słonecznej współpracujący

z domową termą c.w.u.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.6.3. Rurowy kolektor słoneczny nadciśnieniowy do podgrzewania powietrza . . . 542.6.4. Ścienny kolektor powietrzny do dogrzewania mieszkań,

hal i magazynów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3. Instalacja kolektorów słonecznych w poszczególnych zastosowaniach3.1. Możliwości instalowania kolektorów słonecznych do podgrzewania ciepłej wody

użytkowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.1.1. Budynki jednorodzinne i wielorodzinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.1.2. Budynki użytkowania publicznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.3. Hotele, campingi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.2. Inne zastosowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.2.1. Baseny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.2.2. Drobny przemysł i przetwórstwo rolno-spożywcze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.2.3. Ogrzewanie budynków niskoenergetycznych i pasywnych . . . . . . . . . . . . . . 74

6

4. Budowa, obliczanie i dobór instalacji użytkowych – instalacje do podgrzewania wody4.1. Właściwości czynników roboczych w instalacjach użytkowych z kolektorami

słonecznymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.2. Instalacje do podgrzewania wody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.2.1. Systemy i układy do wykorzystania ciepłej wody z kolektorów słonecznych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.2.2. Elementy instalacji użytkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2.3. Dobór i obliczanie kolektorów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.3. Instalacje typu KOMBI do przygotowania c.w.u. i ogrzewania pomieszczeń. . . . . 100 4.4. Instalacje wielkowymiarowe kolektorów słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.4.1. Ogólna charakterystyka instalacji wielkowymiarowych i ich specyficzne wymagania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.4.2. Elementy wielkowymiarowych instalacji słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5. Instalacje do podgrzewania powietrza5.1. Zastosowanie powietrznych kolektorów słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.2. Systemy i instalacje użytkowe z kolektorami słonecznymi do podgrzewania

powietrza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.3. Elementy instalacji użytkowych powietrznych kolektorów słonecznych . . . . . . . . 1225.4. Praktyczne uwagi o lokalizacji, wykonaniu i instalowaniu powietrznych

systemów słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

6. Zakup, instalacja i eksploatacja kolektorów słonecznych6.1. Organizacja rynku kolektorów słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376.2. Warunki zakupu kolektorów słonecznych i instalacji słonecznych. . . . . . . . . . . . . . 1416.3 Wytyczne do prawidłowej eksploatacji systemów i poprawności

działania instalacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.4. Bezpieczeństwo budowy i eksploatacji kolektorów słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7. Certyfikacja i badania kolektorów słonecznych7.1. Formalno-prawne podstawy oceny wyrobów w UE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517.2. Certyfikacja obowiązkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1527.3. Certyfikacja dobrowolna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.4. Normy europejskie dotyczące kolektorów i instalacji słonecznych . . . . . . . . . . . . . 1557.5. Inne certyfikaty spotykane w Polsce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1567.6. Badania kolektorów słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

7.6.1. Charakterystyka cieplna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1587.6.2. Badania trwałościowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1617.6.3. Możliwości badań i certyfikacji kolektorów słonecznych w Polsce. . . . . . . . 163

8. Ekonomika wykorzystania kolektorów słonecznych8.1. Efektywność ekonomiczna budowy kolektorów słonecznych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.2. Opłacalność zakupu instalacji kolektorów słonecznych

do podgrzewania c.w.u. w domu jednorodzinnym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

9. Możliwości wsparcia finansowego inwestorów budujących instalacje słoneczne . . . 175

10. Przykłady instalacji z kolektorami słonecznymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

WPROWADZENIE

7

Energetyka słoneczna w Polsce wchodzi w nowy etap rozwoju. Pionierskie dla przemysłu energetyki słonecznej lata 90. zaowocowały powstaniem pierwszych firm produkujących kolektory słoneczne do podgrzewania wody i budową kilku tysięcy metrów kwadratowych powietrznych kolektorów słonecznych dla rolnictwa, ale nie udało się stworzyć ani rynku, ani liczącego się przemysłu w tym zakresie. Wydana w 1992 r., jedna z pierwszych i znanych publikacji z tego zakresu, książka pt. „Kolek-tory słoneczne – poradnik wykorzystania energii słonecznej”, nagrodzona w 1993 r. przez ministra ds. budownictwa, w znacznej części, wobec braku rynku, przemysłu i sprawdzonych wyrobów, promowała budowę kolektorów słonecznych, głównie sposobem gospodarczym.

Wiadomo było, że wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych przynosi wie-le korzyści, takich jak: dywersyfikacja zasilania w nośniki energetyczne i polepszenie bezpieczeństwa energetycznego kraju, ochrona środowiska, dzięki zastępowaniu pa-liw kopalnych, oraz rozwój małych i średnich przedsiębiorstw i tworzenie nowych miejsc pracy. Uwzględniając to, we wrześniu 2000 r., Rząd RP przyjął dokument „Strategia rozwoju energetyki odnawialnej". Wyznaczono w nim ogólny cel ilościo-wy – 7,5% udziału energii odnawialnej w bilansie energii pierwotnej kraju w 2010 r. oraz odpowiednie cele cząstkowe, w tym zwiększenie w ciągu 10 lat powierzchni za-instalowanej w termicznych kolektorach słonecznych o 700 000 m2. Od kilku lat tem-po wzrostu tego sektora jest wysokie i przekracza 20–30% rocznie, i choć łączna po-wierzchnia zainstalowana kolektorów słonecznych w kraju przekroczyła w końcu 2007 r. 230 000 m2, to wyznaczony w 2010 r. cel ilościowy wydaje się raczej trudny do osiągnięcia.

Rządowa strategia ułatwiła wsparcie dla inwestorów w termicznej energetyce słonecznej w postaci dotacji i preferencyjnych pożyczek z krajowych funduszy eko-logicznych. Ale inwestorzy w energetyce słonecznej, w przeciwieństwie do rynków końcowych zielonej energii elektrycznej i biopaliw transportowych, nie korzystali ze wsparcia zielonych certyfikatów czy ulg podatkowych na etapie eksploatacji syste-

8

mów słonecznych. Energetyka słoneczna w znacznym zakresie rozwija się siłami ryn-kowymi i naturalną potrzebą obywateli i gospodarstw domowych do uniezależniania się od ryzyka coraz to droższych paliw kopalnych oraz coraz większą dbałością insty-tucji publicznych o ochronę środowiska.

Obecnie, inaczej niż na początku lat 90., nie ma już problemu z nabyciem insta-lacji słonecznej i praktycznie każda poważna firma oferująca systemy grzewcze jest w stanie zainstalować kolektor słoneczny. Wejście Polski do UE otworzyło rynek za-równo dla krajowych eksporterów, jak i importerów, zaś systematyczny wzrost cen paliw i energii, szybki rozwój budownictwa mieszkaniowego i oddawanie do użytku ponad 100 tys. nowych mieszkań rocznie sprzyjały bardziej niż w latach 90. rozwojo-wi energetyki słonecznej. Polska przejęła europejski system norm, jakości i certyfikacji kolektorów słonecznych. Obecnie aktywnie działa ponad czterdziestu producentów kolektorów słonecznych (krajowych i zagranicznych) i ponad tysiąc współpracujących z nimi firm instalatorskich, a roczne obroty na krajowym rynku energetyki słonecznej przekraczają 150 mln zł.

Zadowoleniem napawa fakt, że wraz z rozwojem możliwości produkcji zielonego ciepła z kolektorów słonecznych, rozwinął się krajowy przemysł. Ponieważ w innych sektorach energetyki odnawialnej nie zawsze produkcja i montaż urządzeń nadążają za rynkiem energii, inwestorzy muszą ponosić większe koszty i zazwyczaj mają gor-sze warunki dostawy. Nie wydaje się jednak, aby wyniki, jakie dotychczas osiągnął sektor energetyki słonecznej, były w pełni satysfakcjonujące. Pomimo postępu tech-nologicznego i dobrych wyników sprzedaży, produkując ok. 175 TJ zielonego ciepła w ciągu roku, sektor energetyki słonecznej zapewnia jedynie 0,1% całej podaży energii ze źródeł odnawialnych w Polsce, których udział w bilansie zużycia energii w Polsce przekroczył 7%. Istnieje zatem olbrzymi potencjał energetyki słonecznej do zagospo-darowania przez krajowych inwestorów.

Pojawiają się nowe impulsy dla całej energetyki odnawialnej, w tym w szczegól-ności dla energetyki słonecznej. Przełom lat 2007/2008 to początek szybkiego i nie-spotykanego dotychczas w Polsce wzrostu cen paliw i energii. W styczniu 2008 r. Ko-misja Europejska ogłosiła nowy pakiet klimatyczny i projekt nowej dyrektywy o pro-mocji stosowania energii ze źródeł odnawialnych z nowym celem dla Polski – 15% udział energii ze źródeł odnawialnych w bilansie zużycia energii w 2020 r. W pakiecie tym, w odróżnieniu od poprzedniej dyrektywy, rozwój zielonej energii elektrycznej jest równoprawny z rozwojem zielonego ciepła. Przygotowując polską odpowiedź na nowe wyzwanie, Instytut Energetyki Odnawialnej (EC BREC IEO) ocenił, że w 2020 r. energetyka słoneczna powinna dostarczyć 16 000 TJ ciepła w systemach ogrzewania c.w.u. i systemach ogrzewania pomieszczeń (systemów typu „kombi”), przy utrzy-maniu 33% średniorocznego tempa wzrostu i osiągnięciu wskaźnika powierzchni zainstalowanej kolektorów słonecznych na poziomie 0,4 m2 na głowę mieszkańca. Na koniec 2007 r. wskaźnik ten wynosił poniżej 0,01. Tak intensywny rozwój ryn-ku powinien prowadzić zarówno do dalszego postępu technologicznego, jak i po-

9

prawy efektywności oraz obniżenia kosztów i poprawy konkurencyjności w całym sektorze.

Wprowadzanie coraz lepszych technologii energetyki słonecznej będzie szło w pa-rze ze wzrostem zainteresowania osób fizycznych, małych i średnich przedsiębiorstw oraz sektora publicznego do korzystania z czystej, ale również tańszej energii z kolek-torów słonecznych. Pełzający wzrost cen energii i paliw w latach 2000–2006, przecho-dzi właśnie w fazę szybkich wzrostów i epokę drogich konwencjonalnych nośników energii, a energetyka słoneczna staje się w okresie zawirowań cenowych sposobem na obniżenie rachunków za energię elektryczną i gaz.

Niniejsza książka ma być pomocna inwestorowi i potencjalnemu użytkowniko-wi w doborze elementów wyposażenia instalacji słonecznej, zakupie i jej montażu oraz prawidłowej eksploatacji. Książka może być wykorzystywana także przez inży-nierów, projektantów i instalatorów pracujących w przemyśle energetyki słonecznej oraz jako podręcznik uzupełniający na studiach inżynierskich na specjalnościach tech-nika cieplna, odnawialne źródła energii i heliotechnika. Znajomość tej, ciągle jeszcze w Polsce nowej techniki, rozpoznanie własnych potrzeb energetycznych oraz moż-liwość wyboru dostawcy i typu kolektora umożliwią uniknięcie popełnienia często kosztownych i kłopotliwych błędów. Książka ma też szerszy charakter edukacyjny, a dzięki rozdziałowi poświęconemu budowie kolektorów słonecznych sposobem go-spodarczym, może także być też wykorzystana jako pomoc dla szkół zawodowych kształcących techników instalatorów, mechaników i elektryków, a także przez maj-sterkowiczów i hobbystów zainteresowanych budową i wykonaniem kolektorów sło-necznych.

W niniejszej pracy rozpatrzono wiele wariantów budowy i zastosowań kolekto-rów słonecznych. Poza najbardziej popularnymi kolektorami słonecznymi płaskimi i wchodzącymi na rynek kolektorami próżniowymi wykorzystywanymi nie tylko do podgrzewania wody w tradycyjnych domowych systemach ciepłej wody użytko-wej (c.w.u.), ale i w systemach ogrzewania pomieszczeń (c.o.), omówiono także ich zastosowanie w przemyśle przetwórczym oraz zasady ich stosowania w instalacjach wielkowymiarowych, z długookresowym (sezonowym) magazynowaniem ciepła. Dość obszernie omówiono także zasadę budowy i wykorzystania powietrznych kolek-torów słonecznych do dogrzewania pomieszczeń i do suszenia. Podano szereg prak-tycznych wskazówek dla inwestorów i użytkowników instalacji słonecznych, w tym zasady zakupu i oceny jakości urządzeń (badań i certyfikacji) oraz pełnej oceny eko-nomicznej. Praca wzbogacona jest opisem przykładowych (modelowych) instalacji za-montowanych w latach 2004–2006.

Książka składa się z 10 rozdziałów.W rozdziale 1 przedstawiono wyjściowe parametry meteorologiczne potrzebne

do określenia potencjalnej energii użytecznej promieniowania słonecznego w przewi-dywanym miejscu lokalizacji instalacji słonecznej i przy określonym ustawieniu po-wierzchni kolektora (-ów).

10

W rozdziale 2 omówiono kolektory słoneczne jako podstawowe elementy instalacji słonecznych. Przedstawiono dane techniczne, wymagania materiałowe, charaktery-styki różnych typów kolektorów słonecznych. Mogą one służyć jako dane wyjściowe do projektowania instalacji słonecznych. Będą też bardzo pomocne dla klientów ku-pujących gotowe kolektory, zwłaszcza do weryfikacji informacji zawartych w ofertach handlowych. W rozdziale tym umieszczono także opisy przykładowych projektów prostych kolektorów słonecznych, szczególnie – zdaniem autorów – odpowiednich do samodzielnego wykonania.

W rozdziale 3 omówiono atrakcyjne obszary wykorzystania wodnych kolektorów słonecznych, w budynkach jednorodzinnych i wielorodzinnych, budynkach publicz-nego użytkowania, hotelach, campingach oraz w basenach, drobnym przemyśle, prze-twórstwie rolno-spożywczym, a także przedstawiono rolę, jaką mogą spełnić aktywne systemy słoneczne w ogrzewaniu budynków niskoenergetycznych i pasywnych.

W rozdziale 4 przedstawiono praktyczne aspekty budowy i montażu oraz użyt-kowania instalacji z kolektorami słonecznymi, służącymi do podgrzewania wody, w szczególności indywidualnych instalacji c.w.u. Oprócz integracji kolektorów sło-necznych z systemami grzewczymi i budynkami, z uwzględnieniem systemów typu kombi, szczególną uwagę zwrócono na kwestię magazynowania ciepła oraz na spe-cyfikę instalacji wielkowymiarowych.

W rozdziale 5 omówiono podstawy budowy i wykorzystania powietrznych kolek-torów słonecznych wraz z możliwością ich budowy metodą gospodarczą.

W rozdziale 6 omówiono praktyczne zasady, jakimi trzeba się kierować przy za-kupie kolektorów słonecznych oraz podstawowe przepisy prawne dotyczące bezpie-czeństwa budowy i eksploatacji kolektorów słonecznych. W celu lepszego poruszania się po rynku urządzeń, producentów i dostawców dość szczegółowo omówiono sytu-acje na rynku kolektorów słonecznych.

Rozdział 7 poświęcony jest certyfikacji kolektorów słonecznych i daje podstawę do porównań jakościowych wyrobów.

Rozdział 8 dotyczy efektywności ekonomicznej kolektorów słonecznych. Przed-stawiono uniwersalną i porównawczą metodę oceny ekonomicznej instalacji, trendy i prognozy cenowe na nośników energii i sposoby ich uwzględnienia w rachunku eko-nomicznym, a w rozdziale 9 podano praktyczne informacje o zasadach dofinansowania zakupu kolektorów słonecznych.

Rozdział 10 zawiera 7 przykładów zrealizowanych instalacji słonecznych z wyko-rzystaniem różnych typów kolektorów słonecznych o różnej wielkości i przeznacze-niu, które mogą służyć jako punkty odniesienia do planowania nowych inwestycji. Opisy w części monitorowanych instalacji, wybrane spośród nadesłanych przez in-stalatorów w odpowiedzi na ankietę autorów książki, pozwalają na odniesienie za-sad projektowania (np. proporcje wielkości komponentów instalacji) omówionych w książce, do rzeczywistych warunków realizacji inwestycji.

1

PROMIENIOWANIE SŁONECZNE. ZASOBY ENERGII SŁONECZNEJ W POLSCE

11

1.1. Parametry i składowe promieniowania słonecznegoNajistotniejszymi parametrami promieniowania słonecznego – ze względu na spo-

sób wykorzystania tej energii w kolektorach płaskich (płaskopłytowych) – są dzienne, miesięczne, sezonowe i roczne sumy wartości natężenia promieniowania słoneczne-go – H (kJ/m2), wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzch-ni w określonym czasie.

Sumy wartości natężenia promieniowania słonecznego w dłuższych okresach (se-zon, rok) są szczególnie przydatne do analiz ekonomicznych zastosowania kolekto-rów słonecznych w procesach roboczych.

Tabela 1.1. Relacje między podstawowymi i uzupełniającymi jednostkami natężenia promieniowania

1 kJ/m2 = 0,027778 kWh/m2 1 kWh/m2 = 3600 kJ/m2 1 cal/cm2 = 42 kJ/m2

1 kJ/m2 = 0,024 cal/cm2 1 kWh/m2 = 86 cal/cm2 1 cal/cm2 = 0,0116 kWh/m2

W wielu przypadkach do wyrażenia wartości sumy natężenia promieniowania w czasie godziny, dnia, miesiąca lub roku stosuje się jako jednostkę kWh/m2, nato-miast dane z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej są podawane w MJ/m2; w starszych opracowaniach można jeszcze spotkać jednostkę – cal/cm2. Przeliczenia wzajemne (zależności) wymienionych jednostek natężenia promieniowania przedsta-wiono w tabeli 1.1.

Innym istotnym parametrem warunkującym cechy konstrukcyjne kolektora i jego wydajność jest natężenie całkowitego promieniowania słonecznego I (wartość chwi-lowa), wyrażone w W/m2. W energię użyteczną może być przetworzona tylko część energii słonecznej, której natężenie promieniowania w określonym czasie przekracza właściwą dla tego urządzenia i danych warunków meteorologicznych wartość pro-gową I'min. Wartość tę wyznaczyć można z uproszczonego równania bilansu energe-tycznego kolektora słonecznego o powierzchni jednostkowej:

Kolektory słoneczne

12

E H U To= ⋅ ′− ⋅ ⋅η τΔ , Wh/m2

(1.1)

gdzie:E – suma energii użytecznej, Wh z jednostki powierzchni kolektora,ho – współczynnik konwersji optycznej promieniowania słonecznego,H' – wartość natężenia promieniowania słonecznego I > I'min, Wh/m2,U – współczynnik strat cieplnych kolektora, W/m2· K,ΔT – średnia różnica temperatur nośnika ciepła w kolektorze i otoczeniu, K,τ – czas występowania natężenia promieniowania o wartości I > Imin, h.

Wartość progową oblicza się z równania (1.1), przy założeniu, że E = 0, stąd:

′ =′=

⋅I H U T

omin τ η

Δ

Wartości progowe I'min dla różnych typów kolektorów słonecznych pracujących przy różnych wartościach ΔT podano w tabeli 1.2.

Z tabeli 1.2 wynika, że np. kolektor próżniowo-rurowy zaczyna gromadzić energię cieplną już przy stosunkowo małej wartości promieniowania słonecznego całkowite-go, ok. 20 W/m2, dzięki m.in. doskonałej izolacji termicznej i minimalnym stratom cie-pła, co szczególnie predestynuje go do stosowania w okresie jesienno-zimowo-wiosen-nym. W obliczeniach przybliżonych, które mają praktyczne znaczenie w grzewczych instalacjach słonecznych i kolektorach słonecznych, przyjmuje się minimalną wartość całkowitego natężenia promieniowania słonecznego Imin = 100 W/m2.

Tabela 1.2. Szacunkowe wartości progowe I'min natężenia promieniowania słonecznego dla różnych typów kolektorów słonecznych

Rodzaj kolektora słonecznego

Parametry techniczne I'min, W/m2

ho, % U, W/m2· K ΔT = 10 K ΔT = 30 K ΔT = 60 K

Absorber bez osłony 0,95 20 210 630 1260

Kolektor z jednym pokryciem szklanym 0,85 8 90 280 560

Kolektor z dwoma pokryciami szklanymi 0,73 6 70 250 490

Kolektor z jednym pokryciem szklanym i powłoką selektywną

0,85 4 50 140 280

Kolektor próżniowo-rurowy 0,85 1,71 20 60 120

W przypadku kolektorów płaskopłytowych, o możliwości przetwarzania energii promieniowania słonecznego w ciepło użyteczne decyduje promieniowanie całkowi-te, dochodzące ze wszystkich kierunków półsfery.

Promieniowanie całkowite Ih, Hh zawiera trzy składowe:1. Promieniowanie bezpośrednie Ib, Hb jest to krótkofalowe promieniowanie o kie-

runku rozchodzenia się promieni w linii prostej od Słońca do powierzchni czyn-

Rozdział 1

13

nej kolektora. Długość fali promieniowania słonecznego bezpośredniego na po-wierzchni Ziemi (po przejściu przez warstwę atmosfery) w 98% zawarta jest w przedziale 0,30–2,50 μm. Obejmuje ono całe tzw. widzialne promieniowanie słoneczne długości fali 0,40–0,70 μm.

2. Promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne) Id, Hd jest to promieniowanie długofa-lowe. Powstaje w wyniku załamania, odbicia i częściowego pochłaniania promie-niowania bezpośredniego w atmosferze ziemskiej. Daje ono barwę niebieską nie-boskłonu w wyniku rozproszenia światła słonecznego. Dodatkowo do promienio-wania rozproszonego zalicza się tzw. długofalowe promieniowanie atmosfery o znacznie większej długości fali niż bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne. Jest ono emitowane przez atmosferę niezależnie od pory doby, w po-staci fal długości 4–120 mm.

3. Promieniowanie odbite IhP od powierzchni Ziemi i obiektów w pobliżu absorbe-ra kolektora słonecznego, tzw. albedo. Jest to również promieniowanie rozproszo-ne, którego wielkość zależy od promieniowania całkowitego Ih = Id + Ib (rozproszo-nego i bezpośredniego) oraz współczynnika odbicia p odpowiadającego różnym powierzchniom i przedmiotom w pobliżu kolektora.Sumaryczny wpływ wymienionych składowych promieniowania na ilość energii

docierającej do powierzchni kolektora słonecznego w jednostce czasu (moc strumie-nia energii promieniowania słonecznego) określona jest równaniem, które uwzględ-nia zależności kątowe:

I I I I

bd h= +

+( )+

⋅ −( )cos cos cos ,Θ1

21

2β ρ β

W/m2 (1.2)gdzie:Θ – kąt zawarty pomiędzy linią wyznaczoną przez kierunek promieniowania sło-

necznego bezpośredniego a normalną do powierzchni absorbera (rys. 1.1),b – kąt pochylenia płaszczyzny kolektora w stosunku do poziomu.

Rys. 1.1. Geometria ruchu słońca w stosunku do kolektora (absorbera): Θ – kąt padania, Θz – kąt zenitu, b – kąt nachylenia kolektora do poziomu, g – kąt odchylenia od kierunku południowego, a – kąt wysokości słońca nad horyzontem, y – kąt azymutu

N

E

W ΘZΘ

S

Ψ

W

S E

N

absorber

90°

90°90°

α

γ

γ

β

ψ

α

Kolektory słoneczne

14

Ponieważ tylko dwie z trzech składowych Ib, Id, lh są niezależne (Ih = Ib cos Θz + Id), gdzie Θz – kąt zenitu (tj. kąt między linią wyznaczoną przez normalną do powierzch-ni poziomej a kierunkiem promieniowania słonecznego), często – dysponując danymi z pomiarów meteorologicznych Ih i Id – stosuje się inną postać równania (1.2):

I I I I Ih d

zd h= −( )⋅ +

+( )+ ⋅

−( )coscos

cos cosΘΘ

12

12

βρ

β, W/m2 (1.3)

Chwilowe wartości natężenia promieniowania w miesiącach letnich osiągają od-powiednio Ih = 1100–1200 W/m2. W miesiącach zimowych maksymalne wartości na-tężenia promieniowania całkowitego Ih wynoszą 400–500 W/m2. W półroczu letnim, w promieniowaniu całkowitym w Polsce, większy udział ma promieniowanie roz-proszone (54%), a w półroczu zimowym – promieniowanie bezpośrednie (70%). Po-nadto udział tych składowych w promieniowaniu całkowitym zmienia się w ciągu dnia. Na rysunku 1.2 przedstawiono przykładowe dobowe charakterystyki promie-niowania całkowitego Ih, rozproszonego Id, bezpośredniego Ib w wybranych miesią-cach dla Warszawy.

Wpływ poszczególnych składowych natężenia promieniowania słonecznego na ilość energii docierającej do kolektora jest uzależniony, zgodnie z równaniem (1.3), od wartości kątów Θ i Θz. Na rysunku 1.3 przedstawiono dla danych wartości α i β zależność funkcyjną cos Θ = f(φ – β) i cos Θz = f(φ), gdzie φ oznacza szerokość geogra-ficzną.

Wartość współczynnika odbicia promieniowania słonecznego ρ zależy jedynie od rodzaju powierzchni w otoczeniu kolektora słonecznego. W zależności od rodzaju powierzchni, a także kąta β, udział tego rodzaju promieniowania w bilansie kolekto-ra płaskopłytowego sięga 5–30%.

I, W

/m2

I, W

/m2

I, W

/m2

I, W

/m2

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

T, h 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 T, h

T, h 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 T, h

600500400300200100

0

400

300

200

100

0

75

50

25

0

300

200

100

Rys. 1.2. Średnie dzienne przebiegi wartości natężenia promieniowania całkowitego Ih (――――――), bezpośredniego Ib (――――――) i rozproszonego Id (――――――) dla Warszawy w miesiącach: a) kwiecień, b) czerwiec, c) wrzesień, d) grudzień

a) b)

c) d)

Rozdział 1

15

Tabela 1.3. Wartości współczynnika odbicia promieniowania słonecznego ρ dla różnych powierzchni naturalnych

Rodzaj powierzchni Współczynnik odbicia r

Zielony las 0,03–0,10

Trawa 0,14–0,37

Grunt 0,07–0,20

Czarna ziemia 0,08–0,14

Suchy piasek 0,18

Mokry piasek 0,09

Beton (np. chodnik) 0,25

Asfalt 0,10

Śnieg lub lód 0,46–0,87

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

cosθ

Z i c

osθ

szerokość geograficzna φ i (φ − β)

północnaszerokośćgeograficzna

11 VI15 V16 VIII15 IV15 IX16 III

17 VII

17 I

15 X16 II14 XI10 XII

10 20 30 40 50 60

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

cosθ

Z i c

osθ

szerokość geograficzna φ i (φ − β)

północnaszerokośćgeograficzna

11 VI15 V16 VII15 IV15 IX16 III

17 VII

17 I

15 X16 II14 XI10 XII

10 20 30 40 50 60

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

cosθ

Z i c

osθ

szerokość geograficzna φ i (φ − β)

północnaszerokośćgeograficzna

15 IV15 IX16 III

17 VII16 VII

17 I

15 X16 II14 XI10 XII

10 20 30 40 50 60

11 VI15 V

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

cosθ

Z i c

osθ

szerokość geograficzna φ i (φ − β)

północnaszerokośćgeograficzna

15 IV15 IX16 III

17 VII16 VIII

17 I 15 X16 II14 XI

10 XII

10 20 30 40 50 60

11 VI15 V

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

cosθ

Z i c

osθ

szerokość geograficzna φ i (φ − β)

północnaszerokośćgeograficzna

15 IV15 IX16 III

17 VII

16 VIII

17 I15 X

16 II

14 XI

10 XII

10 20 30 40 50 60

11 VI15 V

Rys. 1.3. Zależność cos Θ i cos Θz od szerokości geograficznej ϕ i kąta pochylenia kolektora β, dla płaszczyzny kolektora skierowanej na południe, w różnych porach dnia: a) 1000–1200 i 1200–1300, b) 1000–1100 i 1300–1400, c) 900–1000 i 1400–1500, d) 800–900 i 1500–1600, e) 700–800 i 1600–1700 [10]

a) b)

c) d)

e)

Kolektory słoneczne

16

Przykład obliczeniowy. Obliczyć średnią moc energii promieniowania słonecznego docierającego w czerwcowy dzień w godzinach 1200–1300 do 1 m2 powierzchni kolektora ustawionego w kierunku południowym, pod kątem β = 40°. Kolektor zlokalizowany jest na trawniku w okolicach Warszawy (ϕ = 52° szerokości geograficznej północnej).

RozwiązanieZ rysunku 1.2: Ih = 570 W/m2, Id = 260 W/m2.Z rysunku 1.3: cos Θ = 1,0, cos Θz = 0,89.Z tab. 1.3: ρ = 0,25.Na podstawie wzoru (1.3):

I = − ⋅ +⋅ +

+

+⋅ ⋅ −

=

( ),

( cos )

, ( cos )

570 260 10 89

260 1 402

570 0 25 1 402

34

°

°

88 230 33 611+ + = , W/m2

Korzystanie z równania (1.3) lub (1.2) do obliczenia energii użytecznej promie-niowania słonecznego docierającej do powierzchni kolektora jest mało wygodne. W praktyce inżynierskiej często wykorzystuje się do tego celu średnie dzienne sumy promieniowania całkowitego na powierzchnię poziomą (patrz: p. 1.2), skorygowane współczynnikami osłabienia (lub wzmocnienia) promieniowania wskutek nachylenia płaszczyzny kolektora pod kątem β (patrz p. 1.3)

Kolejnym parametrem charakteryzującym warunki słoneczne na potrzeby energe-tyki słonecznej jest tzw. liczba godzin słonecznych, czyli sumaryczny czas w roku, w jakim w danym miejscu do powierzchni Ziemi dochodzi promieniowanie słonecz-ne bezpośrednie, tzn. kiedy Słońce znajduje się nad horyzontem i nie jest zasłonięte przez chmury, mgłę, dymy itp. Roczne sumy godzin słonecznych w Polsce są zawarte w przedziale od 1200 do 1700 h/rok.

1.2. Rejonizacja zasobów energii słonecznej w Polscena potrzeby instalowania kolektorów słonecznych

Zachodzące w atmosferze procesy pochłaniania i rozpraszania, w zależności od stopnia jej przezroczystości, powodują, że do powierzchni Ziemi dociera jedynie 39–45% promieniowania pozaatmosferycznego.

Rejonizację zasobów energii słonecznej w Polsce dla około 30 stacji aktynome-trycznych IMiGW w latach 1956–1975, przedstawiono wg Atlasu Rzeczypospolitej Polskiej [3].

Rozkład natężenia promieniowania słonecznego z podziałem na 4 zakresy przed-stawiono na rys. 1.4:

– poniżej 996 kWh/m2/rok, tj. od 9,75 MJ/m2/dobę,– 996–1022 kWh/m2/rok, tj. 9,75–10,00 MJ/m2/dobę,– 1022–1048 kWh/m2/rok, tj. 10–10,25 MJ/m2/dobę,

Rozdział 1

17

– powyżej 1048 kWh/m2/rok, tj. ponad 10,25 MJ/m2/dobę.

Najbardziej uprzywilejowanym rejonem Polski pod względem natężenia promieniowa-nia słonecznego (powyżej 1048 kWh/m2/rok) jest południowa część województwa lubel-skiego, obejmująca większe części dawnych województw: chełmskiego i zamoj skiego.

Centralna część Polski, obejmująca ok. 50% powierzchni, uzyskuje natężenie promienio-wania ok. 1022–1048 kWh/m2/rok, zaś po-łudniowa, wschodnia i północna część Pol-ski otrzymuje natężenie promieniowania ok. 1000 kWh/m2/rok i mniej.

Najmniejszy w skali roku dopływ energii słonecznej obserwuje się w rejonie wysoko uprzemysłowionym (Śląsk) oraz w obszarze granicznym trzech państw: Czech, Niemiec i Polski, a ponadto w rejonie północnym Pol-ski, obejmującym pas wybrzeża, z wyjątkiem samego Wybrzeża Zachodniego.

W skali roku północne krańce Polski ma-ją o ok. 9% mniej energii słonecznej niż połu-dniowe. Z kolei rejony nadmorskie wyróż-niają się atmosferą najbardziej przezroczystą dla promieniowania.

Maksymalne sumy natężenia promie-niowania całkowitego wynoszą ponad 1111 kWh/m2/rok, natomiast minimalne mniej niż 833 kWh/m2/rok. Największą war-tość, 1199 kWh/m2/rok (1994 r.), zarejestro-wano na Kasprowym Wierchu, a najmniejszą, 833 kWh/m2/rok (1980 r.), w Suwałkach [5].

Na podstawie Polskiej Normy PN-B-02025 [23], w tabeli 1.4 podano wartości sum promieniowania całkowitego na powierzchnię poziomą dla całego roku, półrocza letniego, zimowego i sezonu letniego w wybra-nych, reprezentatywnych miastach Polski.

Przytoczone dane odnoszą się do skali regionalnej. W rzeczywistych warunkach terenowych, wskutek lokalnego zanieczyszczenia atmosfery i występowania prze-szkód terenowych, rzeczywiste warunki natężenia promieniowania słonecznego mo-gą odbiegać od podanych.

1022(10,00)

KWh/m2 na rok(MJ/m2 na dzień)

Zachodnio-Pomorskie

Szczecin

GdańskPomorskie Warmińsko-Mazurskie

Olsztyn

Mazowieckie

Kujawsko-Pomorskie

Bydgoszcz

Warszawa

Podlaskie

Białystok

Lubelskie

LublinKielce

Katowice

Śląskie

Opolskie

Opole

Wrocław

DolnośląskieŁódź

Łódzkie

RzeszówPodkarpackie

Kraków

Małopolskie

Świętokrzyskie

GorzówWlkp

Lubuskie

Poznań

Wielkopolskie

996(9,75)

1048(10,25)

Rys. 1.4. Rejonizacja obszaru Polski pod względem możliwości wykorzystania energii słonecznej [3]

Zachodnio-Pomorskie

Szczecin

GdańskPomorskie Warmińsko-Mazurskie

Olsztyn

Mazowieckie

Kujawsko-Pomorskie

Bydgoszcz

Warszawa

Podlaskie

Białystok

Lubelskie

LublinKielce

Katowice

Śląskie

Opolskie

Opole

Wrocław

DolnośląskieŁódź

Łódzkie

RzeszówPodkarpackie

Kraków

Małopolskie

Świętokrzyskie

GorzówWlkp

Lubuskie

Poznań

Wielkopolskie

1300 1400 1500 1600 godz/rok

Rys. 1.5. Rejonizacja średnich sum godzin słonecznych dla reprezentatywnych stacji aktynometrycznych Polski [3]

Kolektory słoneczne

18

Wartości chwilowe bezpośredniego natężenia promieniowania słonecznego mo-gą dochodzić do 1250 W/m2. Jako normę dla Polski można przyjąć wartość natęże-nia promieniowania całkowitego w ciągu roku o wartości 990 kWh/m2 ± 10% (tabe-la 1.4).

Z wyników zamieszczonych w tabeli 1.4 wynika, że w półroczu letnim analizowa-ne miejscowości otrzymują średnio aż 77%, a w samym tylko sezonie letnim aż 43% całorocznego promieniowania słonecznego.

Innym parametrem, decydującym o możliwościach wykorzystania energii promie-niowania słonecznego w kolektorach płaskopłytowych, są sumy dzienne promienio-wania słonecznego w poszczególnych miesiącach.

Na rys. 1.5 przedstawiono rozkład godzin słonecznych w ciągu roku wg Atlasu Rzeczypospolitej Polskiej [3]. Mapy te powstały na podstawie rejestracji prowadzo-nej przez 60 stacji meteorologicznych (heliograficznych) w latach 1951–1980.

Tabela 1.4. Potencjalna energia użyteczna H (Wh/m2/podany okres), w wybranych miastach Polski [23]

Miejscowość Rok (I–XII)

Półrocze letnie (IV–IX)

Sezon letni (VI–VIII)

Półrocze zimowe (X–III)

Białowieża 1 091 952 862 968 493 488 228 984

Bielsko-Biała 984 792 720 600 399 384 264 192

Chorzów 877 049 649 404 360 280 227 645

Gdynia 986 016 802 248 452 160 183 768

Jelenia Góra 963 696 722 136 397 872 241 560

Kołobrzeg 1 065 072 869 856 489 024 195 216

Legnica 1 027 584 785 760 432 360 241 824

Mikołajki 1 001 304 799 872 448 416 201 432

Piła 943 336 753 864 417 048 189 472

Rabka 977 904 712 488 394 200 265 416

Radzyń 996 640 794 016 445 608 202 624

Sulejów 1 054 344 830 952 466 608 223 392

Suwałki 950 518 750 646 421 174 199 872

Święty Krzyż 993 360 764 664 423 600 228 696

Warszawa-Bielany 943 699 748 579 420 619 195 120

Zakopane 976 824 695 400 378 768 281 424

Zamość 1 037 056 794 104 442 816 242 952

Wartości średnie 989 631 766 466 427 538 223 165

Rozdział 1

19

1.3. Optymalny kąt nachylenia kolektora słonecznego do poziomu

Przedstawione dane różnicują rejony ze względu na dopływ energii promieniowa-nia słonecznego do powierzchni poziomej. Innym zagadnieniem jest wybór optymal-nego kąta pochylenia kolektora słonecznego w danym miejscu i w czasie wykorzysta-nia kolektora. Budowane na świecie kolektory słoneczne o całorocznym okresie wyko-rzystania są nachylone do poziomu pod kątem β = f ± 15°, gdzie f oznacza szerokość geograficzną. W Polsce, między 49 a 55° szerokości geograficznej, kąt β – w myśl powyższej zasady – powinien wynosić 34–70°. Wieloletnie obserwacje prowadzone przez IMiGW wykazały, że optymalny w warunkach klimatycznych Polski kąt nachy-lenia powierzchni kolektora płaskiego eksploatowanego w ciągu roku wynosi β = 40°, z dużym zróżnicowaniem w poszczególnych okresach wykorzystania (tabela 1.5).

Tabela 1.5. Optymalny kąt pochylenia kolektora słonecznego w różnych okresach jego wykorzystania w Polsce [23]

Miesiące Optymalny kąt nachylenia Miesiące Optymalny kąt nachylenia

I 60 IX 45

II 60 X 60

III 45 XI 60

IV 30 XII 60

V 30 IV–IX 30

VI < 30 X–III 60

VII < 30 VI–VIII < 30

VIII 30 I–XII 40

W przypadku umieszczenia kolektora słonecznego na powierzchni Ziemi lub przy ścianach budynków, wraz ze zwiększeniem się kąta b zwiększa się też do 30% udział promieniowania odbitego od powierzchni otaczających, a docierającego do po-wierzchni kolektora (rozdz. 1.1). W tych przypadkach optymalny kąt pochylenia b kolektora słonecznego będzie większy od wartości podanych w tabeli 1.5.

Stosunek uśrednionej w ciągu roku sumy promieniowania całkowitego na po-wierzchnie nachylone do uśrednionej w ciągu roku sumy promieniowania całkowite-go na powierzchnie poziome, przy ekspozycji południowej (a = 0°) w Polsce, przed-stawiono w tabeli 1.6. Uwzględniono w niej również odchylenie normalnej kolektora od kierunku południowego (a = 45°) w kierunku wschodnim i zachodnim.

W celu uzyskania rzeczywistych danych o dziennym dopływie energii do 1 m2 ko-lektora zainstalowanego pod kątem b, wartości zawarte w tab. 1.4 należy pomnożyć przez współczynniki z tab. 1.6 dla danego kąta b.

Kolektory słoneczne raczej nie powinny być lokalizowane w warunkach, w któ-rych odchylenie normalnej do ich powierzchni od kierunku południowego przekra-

Kolektory słoneczne

20

cza a ±15°. Przy większym odchyleniu kolektora od kierunku południowego, jego wydajność znacznie zmniejsza się, jak to przedstawiono w tab. 1.6. Z tabeli tej wyni-ka również to, że odchylenie od kierunku południowego w kierunku wschodnim jest korzystniejsze niż w kierunku zachodnim.

Tabela 1.6. Stosunek rocznych sum promieniowania całkowitego na powierzchnie nachylone pod kątem b do rocznych sum promieniowania całkowitego na powierzchnie poziome, przy ekspozycji południowej lub odchylonej od kierunku południowego o 45°, gdzie S – Południe; SW – Południowy Zachód; SE – Południowy Wschód [23]

Miesiąc

β

30 45 60 90

S SW SE S SW SE S SW SE S SW SE

I 1,41 1,31 1,28 1,55 1,41 1,38 1,66 1,45 1,41 1,62 1,41 1,34

II 1,37 1,29 1,20 1,48 1,37 1,26 1,52 1,42 1,26 1,45 1,32 1,15

III 1,22 1,16 1,14 1,27 1,17 1,17 1,27 1,16 1,16 1,12 1,02 1,01

IV 1,06 1,02 1,04 1,06 0,99 1,02 0,99 0,92 0,97 0,76 0,73 0,77

V 0,99 0,95 1,00 0,94 0,89 0,95 0,85 0,81 0,88 0,59 0,59 0,66

VI 0,95 0,93 0,96 0,89 0,87 0,90 0,79 0,78 0,82 0,54 0,57 0,61

VII 0,97 1,07 0,96 0,91 0,89 0,91 0,81 0,81 0,82 0,56 0,60 0,61

VIII 1,04 1,04 1,02 1,01 0,96 0,98 0,93 0,88 0,92 0,68 0,67 0,70

IX 1,14 1,14 1,10 1,15 1,04 1,09 1,11 0,98 1,05 0,90 0,78 0,85

X 1,30 1,30 1,21 1,37 1,17 1,27 1,39 1,14 1,26 1,23 0,97 1,9

XI 1,38 1,21 1,28 1,52 1,24 1,38 1,55 1,28 1,41 1,48 1,14 1,28

XII 1,42 1,26 1,37 1,58 1,32 1,42 1,68 1,37 1,53 1,63 1,26 1,42

Średnia 1,19 1,14 1,13 1,23 1,11 1,24 1,21 1,08 1,12 1,05 0,92 1,02

1.4. Wartości natężenia promieniowania słonecznego w Polsce i dane do wstępnych obliczeń kolektorów słonecznych

Przedstawione w rozdziałach 1.2 i 1.3 dane dotyczące warunków, natężenia pro-mieniowania słonecznego, liczby godzin słonecznych mogą służyć do dokładniejszych obliczeń instalacji z kolektorami słonecznymi. Często jednak jest konieczne przepro-wadzenie obliczeń orientacyjnych. Ze względu na to, że na obszarze Polski, bazując na dokonanej rejonizacji, różnice w natężeniu promieniowania słonecznego nie prze-kraczają 10%, praktycznie w obliczeniach wstępnych można się posługiwać parame-trami uproszczonymi. Korzystając z wcześniej podanych danych, w tabeli 1.7 przed-

Rozdział 1

21

stawiono uśrednione wartości natężenia promieniowania słonecznego i liczby godzin słonecznych, które można przyjąć do obliczeń szacunkowych dla całej Polski.

Tabela 1.7. Uśrednione wartości parametrów meteorologicznych niezbędne do szacunkowych obliczeń kolektorów słonecznych

Wyszczególnienie Cały rok I–XII

Półrocze letnie IV–IX

Półrocze zimowe X–III

Sezon letniVI–VIII

Liczba godzin słonecznych 1600 1200 400 750

Suma natężenia promieniowania, kWh/m2 990 766 223 428

Średnia suma dzienna natężenia promieniowania, kWh/m2 2,7 4,2 1,2 4,7

Optymalny kąt nachylenia płaszczyzny kolektora do poziomu, β ° 40 30 60 < 30

Wykorzystanie energii słonecznej w procesach grzewczych prowadzi zazwyczaj do bezpośredniego ograniczenia zużycia paliw kopalnych, a przez to do zmniejszenia kosztów zaopatrzenia w energię, w tym kosztów ogrzewania oraz zmniejszenia emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Dla ułatwienia podjęcia decyzji o budowie ko-lektora słonecznego przedstawiono uproszczoną analizę możliwości substytucji (za-stępowania) tradycyjnych nośników energii kolektorami słonecznymi w Polsce.

Przyjmując najczęstszy okres używania kolektorów słonecznych w Polsce (kwie-cień – wrzesień), na który przypada 70–80% całorocznej energii promieniowania, okre-ślono możliwości zaoszczędzenia energii elektrycznej lub oleju opałowego, jakie daje eksploatacja l m2 powierzchni kolektora słonecznego w danym okresie.

Do obliczeń przyjęto następujące dane:– sprawność układu z kolektorem słonecznym – 0,5,– sprawność wytwarzania ciepła w urządzeniach elektrycznych – 0,95,– sprawność kotła olejowego – 0,9,– wartość opałowa oleju opałowego – 12 kWh/kg.Wyniki obliczeń ilości zaoszczędzonej energii elektrycznej i oleju opałowego z 1 m2

powierzchni użytkowej kolektora słonecznego, umieszczonego pod optymalnym ką-tem przedstawiono w tabeli 1.8.

Tabela 1.8. Roczne możliwości zaoszczędzenia tradycyjnych nośników energii (węgla i energii elektrycznej) w wyniku wykorzystania 1 m2 powierzchni kolektora

Rodzaj nośnika energii i procesu roboczego Oszczędność energii z 1 m2 powierzchni kolektora

Energia elektryczna do celów grzewczych przy sprawności przemiany 0,95

403 kWh energii elektrycznej na 1 m2 powierzchni kolektora w sezonie IV–IX

Olej opałowy o wartości opałowej 12 kWh/kg, spalony w palenisku o sprawności 90%

36 kg oleju opałowego na 1 m2 powierzchni kolektora w sezonie IV–IX

Niedostępne w wersji demonstracyjnej.

Zapraszamy do zakupu

pełnej wersji książki

w serwisie