Odnawialne źródła energii w rolnictwie - kolektory słoneczne

Rosnące ceny wytwarzania energii elektrycznej oraz jej dostarczenia do odbiorcy końcowego, szczególnie na obszarach wiejskich, zmusza odbiorców do poszukiwania sposobów zmniejszenia zużycia energii. Jednym ze sposobów na niższe rachunki za prąd jest zastosowanie do podgrzania wody w domu czy na potrzeby gospodarstwa tzw. kolektorów słonecznych.

Co to jest kolektor słoneczny?

Jest to urządzenie, które zamienia energię promieniowania słonecznego na ciepło,  które możemy bezpośrednio wykorzystać jako np. podgrzaną wodę w kranie czy instalacji c.o.
Bezpośrednia konwersja energii słonecznej na energię użytkową jest jednym z najbardziej ekologicznych form jej pozyskiwania, ponieważ produkowana w ten sposób energia nie wpływa na znaczącą emisją gazów cieplarnianych do atmosfery, jak to jest w przypadku spalaniem biomasy. Należy zauważyć jedynie drobny pobór mocy z zewnątrz związany z pracą pompki poprawiającej obieg podgrzanej już wody czy innego wymiennika ciepła. Słoneczne kolektory przydomowe nie ingerują również w krajobraz tak jak na przykład elektrownie wiatrowe, nie wspominając o skutkach innych konwencjonalnych metod produkcji energii, np. kopalnie odkrywkowe.

 

Kolektor, ale jaki?

Istnieje wiele typów kolektorów.  Możemy je podzielić na płaskie (cieczowe, gazowe, dwufazowe, próżniowe), próżniowo-rurowe, skupiające, specjalne. Jednak wydaje się, że na potrzeby gospodarstwa domowego najbardziej efektywne (ze względów finansowych i technicznych) są płaskie, panelowe kolektory, w których rolę przekaźnika ciepła stanowi glikol lub kolektory próżniowe. Kolektor taki powinien zostać zamontowany na dachu budynku. Jeżeli dach nie jest jednak dobrze eksponowany na działanie promieni słonecznych można go zamontować na trawniku lub nawet na elewacji. Zdarza się że panele są nawet elementem dekoracyjnym po zamontowaniu jako ekstrawaganckie balustrady balkonów. W każdym przypadku jednak należy zwrócić uwagę na usytuowanie kolektora odpowiednio do kierunku geograficznego. Ekspozycja południowa zapewnia optymalne nasłonecznienie przez cały dzień. Jeżeli zwrócimy panel lekko na wschód, to możemy się spodziewać, że woda w kranie będzie się nagrzewać szybciej przed południem. Należy zapewnić również odpowiedni kąt padania słońca na panel. Optymalnym jest oczywiście zwrócenie kolektora prostopadle do promieni słonecznych. W naszych szerokościach geograficznych  w południe latem promienie słoneczne padają pod kątem około 63, a w zimie 17 stopni. Dlatego przyjmując całoroczną pracę kolektora, jego optymalnym ustawieniem / zalecanym przez większość producentów / jest kąt nachylenia do poziomu w granicach 25 do 45º, z dopuszczalnym odchyleniem ± 45º od kierunku południowego. Nachylenie niższe nie jest zalecane, przede wszystkim z uwagi na zaleganie śniegu w zimie. Nachylenie większe niż 45º jest korzystne w okresie zimowym, gdy słońce porusza się nisko nad linią horyzontu – opcja ta więc jest korzystna przy założeniu wspomagania ogrzewania budynku, jednak w pozostałym okresie (80% energii promieniowania słonecznego przypada na miesiące od kwietnia do września), osiąga się wyraźnie niższe uzyski ciepła dla wody na cele użytkowe. W przypadku dachów płaskich, zalecane są wybrane rodzaje kolektorów próżniowych dopuszczonych do pracy nawet w pozycji poziomej. Odpowiedni kąt montażu kolektora słonecznego możemy też uzyskać stosując dodatkowy stelaż integrowany z konstrukcją dachu, jednak to rozwiązanie często nie wygląda estetycznie. Odpowiednia lokalizacja kolektora zapewniająca optymalną ekspozycję oraz osłonięcie przed ochładzającym  działaniem wiatru wpływa na jego sprawność. Sprawność kolektora jest to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora. W przypadku kolektora płaskiego sprawność znacznie spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem. Z tego powodu w naszej strefie klimatycznej powinno się stosować kolektory próżniowe, co znacznie uniezależnia je od wpływu temperatury otoczenia. Dobór kolektora w każdym wypadku należy dostosować do potrzeb, biorąc pod uwagę lokalny klimat (średnie usłonecznienie roczne), lokalizację, szacowane zużycie ciepłej wody oraz planowane wspomaganie układu centralnego ogrzewania czy wykorzystanie tak podgrzanej wody na inne cele gospodarskie. W Internecie można znaleźć programy czy kalkulatory dobierające parametry kolektorów ciepła do potrzeb użytkownika. Ale najpewniejszym sposobem uniknięcia kosztownej a chybionej inwestycji jest powierzenie tych szacunków specjalistom.

Jak to działa?

Najprostszym kolektorem słonecznym jest zwykła beczka na wodę, często deszczówkę,  ustawiona na działce. Który poważny działkowiec nie korzysta z tego najprostszego i darmowego sposobu na ogrzanie sobie dość sporej ilości wody?
Żeby jednak w naszym klimacie efektywnie korzystać z energii słonecznej przez cały rok, wymagana jest większa inwestycja i zastosowanie niezawodnych technologii. Kolektor słoneczny (w domkach jednorodzinnych przeważnie od dwu do czterech paneli) dzięki ekspozycji na bezpośrednio padające promienie słoneczne ogrzewa czynnik (przekaźnik ciepła). Jak wspomniano wyżej może to być ciecz lub gaz. Gdy wystąpi odpowiednia różnica ciepła miedzy czynnikiem a zbiornikiem wówczas regulator uruchamia pompę wymuszającą obieg czynnika w instalacji. Woda użytkowa lub czynnik instalacji c.o. podgrzewane są dzięki wymiennikowi ciepła.  Czynnik instalacji kolektora po podgrzaniu się ulega jak każda inna materia prawom fizyki, czyli się rozszerza. Kompensuje to tzw. naczynie przeponowe.

Czy w warunkach Polski kolektory słoneczne są efektywne? Jakie są perspektywy na kolejne dekady?

Można powiedzieć, że są efektywne – ponieważ są, a ich ilość stale rośnie, na zasadzie że „sąsiad powiedział sąsiadowi, że się opłaca”.  Prezentowane poniżej mapy charakteryzują średnie usłonecznienie w Polsce. Tam gdzie jest ono największe, największa jest też szansa na pozyskiwanie tego typu energii. Ale czy tak będzie zawsze. Zakup kolektorów to inwestycja na długie lata. Wiele się mówi o zmianach klimatu, ale klimat ma to do siebie że w odróżnieniu od pogody jest mniej lub bardziej stabilny. Dlatego można założyć, że zmiany klimatu nie wpłyną na wydajność już zamontowanych instalacji. Jednak w perspektywie kilku dekad sytuacja może się zmienić. Slogan „ocieplenie klimatu” niekoniecznie musi znaczyć więcej słońca czyli bezpośredniej radiacji. Początkowe ocieplenie może spowodować większą kumulację pary wodnej a w konsekwencji większe zachmurzenie. Obecnie obserwowany szybki /w porównaniu z ubiegłymi dekadami/  wzrost średniej temperatury rocznej może doprowadzić do różnych skutków, które obecnie są rozważane przez klimatologów jako hipotetyczne scenariusze.
Wracając do sytuacji obecnej.  Na efektywność pracy kolektorów oprócz sytuacji w makroregionach ma też wpływ mikroklimat. Lokalizacja na południowych stokach, w miejscach osłoniętych /ale nie zacienionych/, korzystnie wpływa na sprawność kolektora związaną z różnicami temperatur między czynnikiem roboczym a otoczeniem.   

Polityka pro-ekologiczna

Obserwowany bum na kolektory słoneczne  na pewno nie miałby miejsca gdyby nie wsparcie ze strony Państwa. Polityka energetyczna Unii Europejskiej wyraźnie ukierunkowana jest rozwój energii odnawialnej. Dzięki temu część wsparcia bezpośredniego może być przeznaczana na finansowanie czy dofinansowanie tego typu inwestycji. Szeroki program dotacji na montaż kolektorów słonecznych realizowany jest przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Warszawie. Informacje dotyczące regionalnych strategiach wsparcia i możliwości współfinansowania warto też uzyskać w swojej gminy lub powiecie.  Najszybszą drogą jest odwiedzenie stron internetowych tych urzędów.  

Więcej informacji o kolektorach słonecznych można uzyskać w poniższych serwisach internetowych: