Termiczne elektrownie słoneczne

SOLARNE INSTALACJE AKTYWNE

Rys. 2. Pasywna solarna instalacja grzewcza, w której zbiornik na wodę jest umieszczony nad kolektorem

W systemach aktywnych wykorzystuje się pompy - przykład instalacji tego typu ilustruje rysunek 3. Ponieważ działa ona w obiegu otwartym, sprawdza się jedynie w ciepłym klimacie. Problem zamarzania wody rozwiązano w systemie, którego uproszczony schemat zamieszczono na rysunku 4. Jest to aktywna instalacja grzewcza, w której nośnikiem ciepła jest niezamarzający czynnik grzewczy - np. woda z dodatkiem glikolu - krążacy w zamkniętym obiegu.

W systemie tym woda użytkowa nie przepływa przez kolektor, ale doprowadzana jest do głównego zbiornika. Przez kolektor przepływa jedynie czynnik grzewczy, który pochłania energię promieniowania słonecznego i następnie przez wężownicę (wymiennik ciepła) wraca do głównego zbiornika, oddając ciepło zgromadzonej w nim wodzie użytkowej. Ostudzony czynnik grzewczy jest następnie pompowany z powrotem do kolektora.

Zaletą zastosowania niezamarzającego płynu jest możliwość montażu kolektora w dowolnym miejscu bez względu na warunki klimatyczne. W porównaniu do systemów pasywnych instalacje aktywne wymagają jednak oprócz pomp także innych dodatkowych komponentów (odpowietrzników, regulatorów, czujników itp.), a także większego zaangażowania w zakresie utrzymania i konserwacji.

PRZYKŁAD INSTALACJI GRZEWCZEJ FIRMY VIESSMANN

Na rysunku 5 przedstawiono najważniejsze elementy przykładowej aktywnej instalacji grzewczej, którą można zrealizować z produktów oferowanych przez firmę Viessman. Oprócz kolektorów słonecznych producent poleca m.in. biwalentne pojemnościowe podgrzewacze wody wyposażone w oddzielne wężownice grzewcze do współpracy z dwoma źródłami ciepła. W podgrzewaczach tego typu ciepło z kolektorów słonecznych jest przekazywane przez dolną wężownicę.

Z kolei wężownica umieszczona wyżej służy w razie potrzeby do dodatkowego podgrzewania wody np. przez kocioł grzewczy. Podgrzewacz można też uzupełnić o grzałki elektryczne. Rozwiązaniem zapewniającym jeszcze większy stopień niezależności od działania instalacji solarnej są tzw. multiwalentne zasobniki buforowe wody grzewczej. Mają one przyłącza umieszczone na różnych wysokościach, dzięki czemu mogą jednocześnie współpracować z kilkoma źródłami ciepła.

Poleca się je przede wszystkim do większych instalacji. Oprócz podgrzewaczy w skład przedstawionego systemu wchodzi zespół pompowy Solar-Divicon oraz elektroniczne regulatory różnicowe temperatury jednocześnie obsługujące kilka odbiorników ciepła. Komunikujący się z regulatorem kotła grzewczego regulator pozwala efektywnie zarządzać dystrybucją energii pozyskiwanej w kolektorze. Dzięki temu można ograniczyć zużycie energii ze źródła zapasowego, czyli kotła.

Jakie kolektory?

Na rynku dostępne są różne kolektory słoneczne, przy czym dwa najpopularniejsze rodzaje to wersje płaskie oraz rurowe próżniowe.

Kolektory płaskie i próżniowe

Głównym elementem kolektora płaskiego jest absorber, czyli płyta wykonana z metalu o dużej przewodności cieplnej - np. miedzi, która pokrywana jest specjalną matową warstwą. Tą ostatnią może być np. czarny chrom lub powłoka na bazie tlenku tytanu, która zwiększa pochłanianie ciepła i ogranicza jego emisję na zewnątrz. Dodatkowo od góry płyta absorbera jest przykrywana szybą, której zadaniem jest m.in. ochrona kolektora przed wpływem czynników atmosferycznych.

Ważne jest, aby materiał, z jakiego wytwarzana jest szyba, charakteryzował się jak najwyższą przepuszczalnością promieniowania słonecznego. Dlatego najczęściej górną pokrywę kolektora wykonuje się ze szkła o małej zawartości tlenku żelaza. Pod płytą absorbera montowany jest zestaw rur, najczęściej również miedzianych, którymi przepływa niezamarzający płyn, np. glikol, transportujący ciepło z kolektora do pozostałych komponentów solarnej instalacji grzewczej. Ważny jest sposób ułożenia tych rur oraz dokładność ich zespolenia z absorberem.

Kwestie te decydują bowiem o sprawności przepływu ciepła od płyty absorbera do rur, a w efekcie o sprawności całego kolektora. Całą opisaną konstrukcję zabezpiecza się, umieszczając ją w odpowiednio uszczelnionej aluminiowej obudowie izolowanej termicznie, np. wełną mineralną. Drugim najczęściej spotykanym typem kolektorów są konstrukcje rurowe próżniowe. Kolektory tego typu składają się z zestawu kilkunastu (a nawet kilkudziesięciu) szklanych tub.

Każda z nich zbudowana jest z dwóch rur: wewnętrznej, pokrytej powłoką absorpcyjną i zewnętrznej, oddzielonych próżnią pełniącą funkcję izolatora cieplnego. W rurze wewnętrznej znajduje się przewód, przez który przepływa czynnik grzewczy. Przewody z poszczególnych absorberów znajdują ujście najpierw w przewodzie zbiorczym, a stamtąd nagrzany czynnik grzewczy przepływa do pozostałej części instalacji grzewczej. Po schłodzeniu płyn wpływa z powrotem do kolektora. Jest to jedna z kilku spotykanych konstrukcji kolektora rurowego próżniowego, z tzw. bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego.

TERMICZNE ELEKTROWNIE SŁONECZNE - WYZWANIA...

Rys. 3. System aktywny z otwartym obiegiem wody

Solarne termiczne elektrownie, tzw. CSP (Concentrated Solar Power), ogólnie podzielić można na dwie grupy: z liniową (rys. 6a) i punktową (rys. 6b) koncentracją promieni słonecznych. Do pierwszej zaliczane są instalacje budowane z metalicznych reflektorów, w ognisku których montowana jest rura z płynem roboczym (patrz ramka). W drugim przypadku CSP składa się najczęściej z zespołu luster skupiających promienie słoneczne w zlokalizowanym centralnie odbiorniku energii cieplnej (również opisanym w ramce).

W obu przypadkach płyn roboczy (gazowy lub ciekły - np. olej) jest podgrzewany przez skoncentrowane światło słoneczne, a energię cieplną pozyskaną w ten sposób wykorzystuje się do zasilania np. turbin parowych, gazowych lub silników Stirlinga, napędzających generatory elektryczne. Jednym z wyzwań w realizacji systemów tego typu jest wygospodarowanie odpowiedniej powierzchni, która czasem sięgać może nawet setek hektarów. Ponadto kluczowe jest uzyskanie odpowiednio wysokiego stopnia koncentracji promieniowania słonecznego.

Tylko wtedy czynnik roboczy można podgrzać do temperatury, która pozwoli osiągnąć sprawność porównywalną z konwencjonalnymi systemami generacji energii elektrycznej. Wyzwania te udaje się jednak pokonać i, w zależności od typu instalacji, uzyskuje się sprawności od 25% do 50%. Rosnącej popularności CSP sprzyja też fakt, że jest to technologia dobrze znana. Wykorzystaniem skoncentrowanego promieniowania słonecznego do pozyskiwania energii interesował się już Leonardo da Vinci, a pierwsze instalacje tego typu zbudowano w latach 80. ubiegłego roku w USA. W tym kraju zresztą ciągle powstaje najwięcej takich instalacji.