Kolektory słoneczne

Kolektory słoneczne służą do przemiany energii promieniowania słonecznego w ciepło lub, inaczej, są to konwertery (przetworniki) energii promieniowania słonecznego w energię cieplną. Najpopularniejsze w naszym kraju są dwa zasadnicze typy kolektorów słonecznych: płaskie i próżniowo rurowe. Kolektor słoneczny jest istotną częścią instalacji grzewczej ciepłej wody użytkowej (cwu) i/lub wspomagającej ogrzewanie pomieszczeń (co) w budynku.

 

Rys. 1. Słoneczne kolektory płaskie zamontowane na dachu budynku (z lewej) oraz próżniowe na fasadzie budynku jednorodzinnego;

Źródło: Rapid i materiały własne

 

Warto wiedzieć
  1. Moc cieplna kolektorów jest przyjmowana wg zaleceń ESTIF (Europejskie Stowarzyszenie Przemysłu Energetyki Słonecznej Cieplnej) i wynosi 700W/m2powierzchni czynnej kolektora.

  2. Optymalnie dobrane instalacje solarne zamontowane w domach jednorodzinnych pozwalają zmniejszyć o ok. 60% rocznego zużycia tradycyjnej energii niezbędnej do ogrzewania wody użytkowej. Tak dobrane instalacje pokrywają zazwyczaj do 95% zapotrzebowania na ciepło w okresie od kwietnia do września. Przy doborze liczby kolektorów słonecznych dla celów cwu przyjmuje się od 1,2 do 1,6 m2 na jednego użytkownika;

  3. Optymalnie dobrana pojemność zasobnika cwu to powierzchnia zainstalowanych kolektorów słonecznych w m2 x 50 litrów/m2;

  4. Dogrzewanie pomieszczeń z zastosowaniem układu solarnego jest najbardziej wydajne w okresach przejściowych (marzec - kwiecień, wrzesień - październik). Istotną rolę odgrywa tutaj rodzaj zastosowanego systemu grzewczego. Kolektory słoneczne wykazują najwyższą wydajność współpracując z ogrzewaniem niskotemperaturowym - podłogowym lub ściennym. Przyjmuje się, że na każdy 1 m2 powierzchni czynnej kolektora powinno przypadać na 10 m2 powierzchni ogrzewanej we właściwie zaizolowanym termicznie budynku

  5. Przyjmuje się, że optymalny, średni kąt nachylenia kolektora do podłoża dla całorocznego okresu wykorzystania wynosi ok. 40o, zaś orientacja w kierunku południowym; odchylenie od kierunku południowego na wschód lub zachód rzędu 45 stopni zmniejszy wydajność o około 5%;

  6. Trwałość kolektorów słonecznych (a zwłaszcza pokrycia absorberów) powinna wynosić ok. 20 lat.

 

Budowa instalacji grzewczej wyposażonej w kolektory słoneczne

W skład instalacji grzewczej, oprócz kolektorów słonecznych wchodzi szereg elementów i urządzeń pomocniczych. Są nimi:

  • zasobnik magazynujący ciepłą wodę,

  • układ pompujący ciecz,

  • zespół bezpieczeństwa (zawór bezpieczeństwa),

  • regulator sterujący pracą instalacji,

  • rurociągi łączące elementy układu hydraulicznego,

  • zasilanie energii elektrycznej dla regulatora i pompy,

  • drugie (tzw. szczytowe) źródło energii (kocioł gazowy lub węglowo-drzewny, grzałka elektryczna wspomagające system w okresie niedoboru promieniowania słonecznego - głównie okres zimowy).

Instalacje kolektorów słonecznych mogą się znacznie różnić pomiędzy sobą, w zależności od zastosowanych kolektorów, jak też od istniejących już elementów grzewczych budynku. Najbardziej powszechny układ instalacji dla pozyskiwania ciepłej wody użytkowej został przedstawiony na rysunku nr 2. Najczęściej instalacja słoneczna jest dobudowywana do istniejącego już układu grzewczego(wyposażonego w bojler elektryczny, gazowy lub olejowy) w ten sposób, że podgrzewa wodę wstępnie i, w zależności od osiągniętej temperatury, następuje jej dogrzanie przez tradycyjny bojler, o ile nie osiągnie wymaganej temperatury (przeważnie 45oC). Jeśli temperatura przekroczy wyznaczoną wartość, woda może być wykorzystywana bezpośrednio lub też magazynowana w zasobniku. 

 

                                      

Rys. 2. Schemat pracy instalacji słonecznej z elektrycznym grzejnikiem dogrzewającym włączonym w obieg przeznaczonej dla domu jednorodzinnego1.

 

 W Polsce wykorzystanie kolektorów do wspomagania podgrzewania pomieszczeń nie jest zbyt często stosowane, co uzasadnia się niesprzyjającymi warunkami klimatycznymi. Podgrzanie wody użytkowej przy równoczesnym wspomaganiu ogrzewania możliwe jest tylko w okresach wczesnowiosennym i wczesnojesiennym. Należy jednak pamiętać, że korzystając z odnawialnych źródeł energii do celów grzewczych, należy posługiwać się niskotemperaturowymi systemami centralnego ogrzewania. Schemat przykładowej instalacji systemu grzewczego typu kombi (tzn. CWU + CO) pokazano na rys. 3.

 

                            

Rys. 3. Schemat instalacji dwufunkcyjnej do dogrzewania co i cwu 2.


Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji instalacji grzewczej z kolektorami słonecznymi

Nakłady inwestycyjne przy budowie systemu kolektorów słonecznych uzależnione są prócz skali inwestycji także od lokalizacji. Niewielkie systemy kolektorów słonecznych najczęściej umieszczane są na dachach budynków o odpowiedniej wytrzymałości na obciążenie i optymalnym nachyleniu. Minimalna nośność dachu, na którym instalowane będą moduły powinna wynosi ok. 250 kg/m2, zakładając średnie obciążenie kolektorami ok. 20 kg/m2. Instalacje wielkowymiarowe o powierzchni powyżej 50 – 100 m2 instalowane są na dachach płaskich (budynków wielorodzinnych), a rzadziej na powierzchni gruntu.

 

 

Rys. 4 Struktura nakładów inwestycyjnych dla systemów kolektorów słonecznych (źródło: IEO)

Struktura kosztów przydomowej instalacji kolektorów słonecznych w odróżnieniu od struktury kosztów wielkowymiarowej instalacji charakteryzuje się przede wszystkim relatywnie mniejszym udziałem kosztów kolektorów słonczych oraz większym udziałem kosztów przeznaczonych na zakup zasobników ciepłej wody. Dzieje się tak dlatego, że koszt kolektorów rośnie liniowo wraz ze wzrostem mocy instalacji, natomiast koszt zasobnika wody takiej zależności nie przyjmuje i zmniejsza się jego udział w ogólnej strukturze kosztów. Koszt pozostałych elementów instalacji jest zależny od wielkości instalacji.

 

 

Rys. 5 Koszty inwestycji i eksploatacji instalacji kolektorów słonecznych (źródło: IEO)

 

Nakłady inwestycyjne rosną liniowo wraz ze wzrostem mocy instalacji kolektorów słonecznych. Średnie koszty jednostkowe dla instalacji małych poniżej 10 kW (poniżej 7 sztuk kolektorów) mieszczą się w przedziale od 2.500 do 3.000 zł/kW, natomiast większe instalacje przyjmują wartości od 2.100 do 2.350 zł/kW. Roczne koszty eksploatacji instalacji kolektorów słonecznych zawierają się w przedziale między 11 a 35 zł/kW, przy czym im wyższa moc, tym mniejszy jednostkowy koszt eksploatacji. Większość kosztów eksploatacyjnych dotyczy czynności serwisowych (np. wymiana czynnika grzewczego) oraz opłat za zużytą energię elektryczną do napędu pomp obiegowych i sterowania.

 

Ekonimika instalacji kolektorów słonecznych

W niniejszej analizie koszty produkcji energii elektrycznej zostały obliczone metodą tzw. „rozłożonego kosztu produkcji energii”, zwaną LCOE (ang. levelised cost of energy). Istotą tej metody jest to, że koszt produkcji energii elektrycznej wynika z rzeczywistych nakładów poniesionych na inwestycję OZE oraz kosztów eksploatacji podczas całego okresu użytkowania urządzeń. Wyniki obliczeń tą metodą pozwalają na swobodne porównywanie kosztów produkcji energii z różnych źródeł, zarówno tych odnawialnych jak i konwencjonalnych, w tym energii z sieci elektroenergetycznej.

 

Rys. 6 Uproszczony wzór obliczenia rozłożonego kosztu produkcji energii

 

Szczegółowe założenia instalacji kolektorów słonecznych o analizowanych mocach zainstalowanych podano poniżej:

  1. Instalacja korzysta z programu wsparcia NFOŚiGW „Prosument” (tzn. 20% dotacji do kosztów kwalifikowanych instalacji kolektorów słonecznych + kredyt preferencyjny)

  2. Instalacja produkuje ciepłą wodę użytkową na potrzeby własne gospodarstwa domowego lub innego budynku z większym zapotrzebowaniem na cwu

  3. W instalacji uwzględniono koszty magazynowana energii w ciepłej wodzie

  4. Okres trwałości instalacji – 15 lat

  5. Wewnętrzna stopa zwrotu inwestycji – 8%

 

 

Rys. 7 Koszty produkcji energii systemów kolektorów słonecznych w zależności od ich mocy znamionowej na tle konwencjonalnych źródeł energii do podgrzewania ciepłej wody (źródło: IEO)

 

Na podstawie wyników obliczeń kosztów produkcji energii z instalacji kolektorów słonecznych można wywnioskować, że opłacalność inwestycji w zależy od tego, jakie konwencjonalne źródło energii będzie zastępowane przez instalację kolektorów słonecznych. Trzeba mieć także na uwadze, że system kolektorów słonecznych zawsze działa z dodatkowym źródłem ciepła zasilanym konwencjonalnie (tj. źródłem szczytowym), którym może być energia elektryczna, kocioł węglowy czy gazowy.

Instalacje kolektorów słonecznych będą szczególnie rekomendowane w gospodarstwach, które dotychczas podgrzewają ciepłą wodę użytkową energią elektryczną, gazem płynnym i olejem opałowym. Zwrot inwestycji w system kolektorów słonecznych nastąpi wówczas po około 5 – 7 latach w przypadku zastępowania bojlerów elektrycznych oraz odpowiednio po 7 – 11 latach zastępując podgrzewacze na gaz płynny i po 10 – 14 latach zastępując piecyki olejowe. Okresy zwrotu inwestycji mogą być krótsze, jeśli w gospodarstwie domowym już występuje zasobnik cwu o właściwej dla współpracy z instalacją kolektorów słonecznych pojemności i przystosowany do przyłączenia dodatkowego źródła ciepła (tzw. zasobnik biwalentny), co pozwala na zmniejszenie kosztu instalacji słonecznej.

Natomiast przy systemach podgrzewania ciepłej wody użytkowej dokonywanego z użyciem kotłów węglowych czy kotłów kondensacyjnych na gaz płynny, systemy kolektorów słonecznych mogą mieć swoje uzasadnienie ekonomiczne tylko wówczas, gdy istniejąca już instalacja grzewcza w gospodarstwie domowym wyposażona jest w odpowiedniej pojemności zasobnik biwalentny.

Istotne znaczenie dla kosztów produkcji energii z instalacji kolektorów słonecznych ma właściwy wybór lokalizacji pod kątem nasłonecznienia oraz stopień niezawodności technicznej instalacji i stałego odbioru wytworzonej energii cieplnej. Drugim parametrem silnie oddziaływującym na LCOE jest czas życia instalacji słonecznej. Można wnioskować, że trwała i niezawodna konstrukcja oraz wysoka jakość wykonania może w dużym stopniu przyczynić się do obniżenia kosztów produkcji energii. Warto wspomnieć, że kilku producentów systemów kolektorów słonecznych gwarantuje poprawne funkcjonowanie swoich instalacji przez okres 20 lat. W znacznym stopniu wpływ na LCOE ma więc koszt zakupu urządzeń. W znikomy sposób wpływają natomiast na LCOE koszty eksploatacyjne związane z naprawami i przeglądami, ze względu na bezobsługowość instalacji (w zasadzie wymiana raz na 2-3 lata czynnika grzewczego).

 

Czy instalacje kolektorów słonecznych są dla Ciebie?

Decydując się na budowę instalacji kolektorów słonecznych należy przede wszystkim wziąć pod uwagę właściwą lokalizację pola kolektorów słonecznych (tj. niezacieniona powierzchnia, najlepiej połać dachu o południowej wystawie, nachylona pod kątem 35 - 45°). Jest to jedno z głównych kryteriów decydujących o szybkim zwrocie inwestycji. Kolejną kwestią jest optymalny dobór wielkości instalacji. W związku z czym należy określić, rzeczywistą wielkość zapotrzebowania na ciepłą wodę w gospodarstwie rolnym (głównie w okresie od kwietnia do września).

Gospodarstwa rolne, w których zaleca się wykorzystania energii cieplnej z instalacji kolektorów słonecznych, to przede wszystkim te, które zużywają dużo ciepłej wody użytkowej i do jej podgrzewania wykorzystują „kosztowne” źródła energii, takie, jak: energia elektryczna, olej opałowy, gaz LPG. Będą to przede wszystkim gospodarstwa, w których mieszka wielu domowników oraz prowadzące działalność agroturystyczną, zwłaszcza okresie letnim. Również gospodarstwa o dominującej produkcji zwierzęcej instalacje kolektorów słonecznych, gdzie występuje duże zapotrzebowanie na ciepłą wody do mycia i pojenia zwierząt gospodarskich.

Z kolei gospodarstwa rolne o profilu produkcji roślinnej, w których zużywa się dużo energii na suszenie plonów rolnych mogą być zainteresowane innym rodzajem instalacji solarnych, które bezpośrednio podgrzewają powietrze. Tego rodzaju instalacja nie były omawiane w tym opracowaniu.

 

Bardziej szczegółowych informacji na opisany temat może udzielić Piotr Dziamski z Instytutu Energetyki Odnawialnej,

mail: pdziamski@ieo.pl,    www.ieo.pl

 


Przypisy:

1 Mirosław Zawadzki – „Kolektory słoneczne i pompy ciepła na tak”, Polska Ekologia, 2003.

 

Wyszukiwarka
Kanał Youtube
 
Facebook
Zamknij

Ten serwis internetowy wykorzystuje pliki cookies.

Używamy informacji zapisanych za pomocą cookies m.in. do celów reklamowych i statystycznych. Mogą stosować je też współpracujące z nami firmy - m.in. reklamodawcy.

W przeglądarce internetowej, w której otwierasz nasz serwis możesz zmienić ustawienia dotyczące cookies.

Korzystając z tego serwisu bez zmiany ustawień dotyczących cookies wyrażasz zgodę na ich używanie i zapisywanie w pamięci urządzenia. Więcej informacji znajdziesz w Polityce prywatności.