Energia Słońca, wiatru i inne 9788310093318, 8310093314 [PDF]

Zitiervorschau

M ACIEJ M ISZC ZA K CZESŁAW W ASZKIEW ICZ

BIBLIOTEKA

• M ŁODEG O TECHNIKA •

Energia Słońca, wiatru i inne

Instytut Wydawniczy „Nasza Księgarnia"

♦♦ ♦♦ ♦ m

m

Biblioteka Młodego Technika

'

fc.

•

;:?o

o "bo^ iivlstG> ”.a s * 9 8.S 2o ^«■

reaktorach nic powielających 1 Mg U 850 T J), natomiast za prawdopodobne — w powielających 1 Mg U 17 PJ; pomijając zasoby o wyższym koszcie pozyskania.

ó

NO

974-10"

7850-10" 1050-10*

Odpowiada­ jąca ilość Mg p.u.

o o o

•%

Ilość Mg

*

O o

Udział

o 00 Tf

40,0 37,7*

29.5 10.5

Ilość Mg

Zasoby prawdopodobne

co

Odpowiada­ jąca ilość Mg p.u.

H

Zasoby pewne

o

Wartość opałowa MJ/kg

Si

Paliwo

OGÓLNOŚWIATOWE SZACUNKOWE ZASOBY ENERGII W PALIWACH PIERWOTNYCH

ce

ir O o Tt 8

CM ro vO

e>0 o

"O

1

*8

36-109 TJ (1200' 109 Mg p.u., co przy dzisiejszym po­ ziomie techniki odpowiada 2400-1012 kWh energii uży­ tecznej), wystarczy zaledwie na 25—40 lat eksploatacji na poziomie roku 2000, natomiast energia zawarta w za­ sobach prawdopodobnych — na dalsze 350—450 lat. Szybkie zmniejszanie się coraz trudniej dostępnych naturalnych surowców energetycznych oraz przewidywa­ na trwała zwyżka cen wszystkich paliw, bez względu na stan ich zapasów geologicznych, spowodowała zwrócenie uwagi na źródła i zasoby dotychczas uważane za nieeko­ nomiczne oraz wyzwoliła falę poszukiwań nowych, nie­ znanych źródeł energii. Do najważniejszych z tzw. źródeł przyszłościowych za­ licza się niekonwencjonalne źródła energii, z których energia uzyskiwana jest bez procesów spalania, reakcji termojądrowych oraz reakcji chemicznych, bądź źródła, których energia została uprzednio przetworzona w pro­ cesach chemicznych lub fizycznych (fotosynteza). Do tej grupy energii zalicza się również energię odpadową otrzy­ mywaną w procesach technicznych bądź technologicz­ nych (np. biogaz). W kolejnych rozdziałach niniejszej książki zostaną scharakteryzowane podstawowe niekonwencjonalne źród­ ła energii, do których należą: energia promieniowania słonecznego, energia kinetyczna powietrza i wód mor­ skich, energia geotermiczna oraz energia z paliw niekon­ wencjonalnych. Ponadto zostaną przedstawione przykła­ dowe rozwiązania techniczne oraz omówione podstawo­ we procesy fizyko-chemiczne pozwalające na przemianę energii tych źródeł na energię użyteczną dla człowieka w postaci energii elektrycznej, mechanicznej oraz ciepła ni­ sko- i wysokotemperaturowego.

1

ENERGIA SŁO N ECZN A

Budowa Słońca

Słońce jest najbliższą gwiazdą, oddaloną od Ziemi o 150 milionów kilometrów. Stanowi ona centralne cia­ ło Układu Słonecznego i jest głównym źródłem energii docierającej do Ziemi. Promieniowanie, które Słońce bez przerwy wysyła w przestrzeń, jest podstawowym źródłem energii wszelkich procesów zachodzących na Ziemi: zarówno w materii ożywionej, jak i nieoży­ wionej. Masa Słońca (1,99-1027 ton) jest 332 958 razy większa od masy Ziemi, jego promień (696 tysięcy kilometrów) — 110 razy większy od promienia Ziemi. Średnia gęstość Słońca (1410 kg/m 3) jest 3,9 raza mniejsza od średniej gęstości Ziemi, zaś przyspieszenie grawitacyjne na po­ wierzchni Słońca jest 27,9 raza większe od przyspiesze­ nia ziemskiego i wynosi 274 m /s2. Słońce jest ciałem gazowym o kształcie zbliżonym do kuli. Podstawowymi pierwiastkami tworzącymi materię słoneczną są wodór i hel. Wodór stanowi 72,7%, a hel 26,2% masy Słońca. Do mniej licznych pierwiastków na­ leżą: tlen (0,7%), węgiel (0,3%) i azot (0,1% masy Słoń­ ca). Poza tym na Słońcu stwierdzono występowanie większości pierwiastków, które znajdują się na Ziemi, wśród nich: magnezu, krzemu, siarki, żelaza, wapnia, ni­ klu, sodu, glinu, oraz obecność niektórych jonów, jak CN, OH, CH, NH.

Centralną częścią Słońca jest jądro (rys. 1), o promie­ niu równym jednej czwartej promienia Słońca, skupiają­ ce połowę jego masy. W jądrze zachodzą reakcje termo­ jądrowe, będące źródłem energii wypromieniowywanej przez Słońce. Energia ta powstaje w wyniku syntezy czte­ rech jąder wodoru, zwanych protonami, prowadzącej do wytworzenia jednego jądra helu. Towarzyszy jej uwol­ nienie dwóch cząstek, zwanych neutrinami, oraz wydzie­ lenie się energii w ilości 4,27 • 1(P2 J na jedną przemianę: 41iH — 2H + 2e + 4,27 • 10"12 J Warunkiem zachodzenia tych reakcji jest wymagana odpowiednio wysoko temperatura. Szacuje się, że tempe­ ratura centralnej części Słońca — jądra, wynosi od 10 do 20 milionów stopni Kelvina. W tej temperaturze ruch materii staje się tak gwałtowny, że jednakowo nała­ dowane cząstki mogą się zbliżyć do siebie na taką od­ ległość, przy której siły przyciągające krótkiego zasięgu przeważają siły odpychające i cząstki mogą ulec syn­ tezie. W wyniku ciągle zachodzących procesów masa Słońca maleje z szybkością 4-150 tysięcy ton w ciągu jednej sekundy. Biorąc pod uwagę, że wiek Słońca obliczany jest na 45-108 lat oraz ciągły ubytek masy Słońca — jego rozmiary pozwalają przypuszczać, że w obecnym stanie będzie ono pozostawało jeszcze przez kilka miliar­ dów lat. Wytwarzana w jądrze Słońca energia przenosi się w postaci promieniowania ku jego powierzchni ulegając w kolejnych warstwach słońca absorpcji (pochłanianiu) i ponownej emisji (wysyłaniu). Warstwę Słońca, którą wi­ dzimy gołym okiem, nazywa się fotosferą. Temperatura fotosfery od środka na zewnątrz maleje od około 6000 do 4500 stopni Kelvina. Nad fotosferą znajduje się chromo

Rys. 1. Budowa Słońca: 1 — jądro, 2 — wnętrze promieniste, 3 — fotosfera, 4 — chromosfcra, 5 — korona słoneczna

sfera, w której z kolei temperatura rośnie wraz ze zwięk­ szaniem się odległości od jądra. Chromosfera otoczona jest gorącym i niezwykle rozrzedzonym gazem tworzą­ cym koronę słoneczną. Temperatura korony słonecznej wynosi od 1 do 2 milionów stopni Kelvina. Z korony następuje ustawiczny wypływ materii, która w postaci wiatru słonecznego zostaje wyemitowana w przestrzeń kosmiczną.

Wiemy już, że w jądrze Słońca zachodzą reakcje ter­ mojądrowe, w wyniku których wyzwala się odpowiednia ilość energii. A zatem nasuwają się pytania: Jak dużo powstaje tam energii? Ile tej energii dociera do Ziemi? itp. Otóż, aby uzmysłowić sobie ilość energii wyzwalanej w jądrze Słońca, warto wiedzieć, że z jednego kilograma wodoru uzyskuje się 190 -106 kWh, co odpowiada energii zawartej w 27 000 ton węgla. Słońce wypromieniowuje w ' przestrzeń kosmiczną strumień mocy o wartości 3,86 • 1023 kW, z której tylko część, a mianowicie 1,73-1012 kW, do­ ciera do powierzchni kuli ziemskiej. Chociaż stanowi to mniej niż jedną miliardową, przewyższa ona około 20 ty­ sięcy razy światowe zużycie energii wytwarzanej teraz na Ziemi. Oznacza to, że obecną produkcję energii można by zastąpić przetworzeniem w użyteczny sposób 0,0005% energii promieniowania słonecznego docierającego do po­ wierzchni Ziemi. Biorąc pod uwagę prognozy naukowców, dotyczące czasu wytwarzania energii przez Słońce, okazuje się, że Słońce stanowi praktycznie niewyczerpalne źródło ene­ rgii. Jeśli do tego dodamy, że energia słoneczna jest bez­ pieczna, czysta i dostępna dla całego globu ziemskiego, to zastąpienie dotychczasowych źródeł energii (węgla, ropy naftowej, gazu, uranu) energią promieniowania sło­ necznego pozwoliłoby na rozwiązanie dwóch podstawo­ wych problemów nurtujących ludzkość: problemu ene­ rgetycznego i problemu ochrony środowiska. Ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi okreś­ la wartość natężenia promieniowania słonecznego (wyra­ żona w watach) na powierzchnię jednego metra kwadra­ towego. Natężenie promieniowania słonecznego na gra-

_

X

przez ozon

'

'

rozproszone na składnikach powietrza / \ jedno- \ / ugięte \krotnie/ / wielokrotnie / / \ l / /

/

J zaabsorbowane przez

/ . .

składniki powietrza

chmury Powierzchnia ziemi

Rys. 2. Oddziaływanie promieniowania słonecznego z atmosferą Ziemi

nicy atmosfery, przy Słońcu w zenicie, na powierzchni czarnej, usytuowanej prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych, wynosi 1380 W /m 2 i nazywa się stałą słoneczną. Natężenie promieniowania słonecznego przy przechodzeniu przez warstwę atmosfery ulega zna­ cznemu zmniejszeniu. Część energii promieniowania jest absorbowana przez składniki atmosfery, część zostaje rozproszona na składnikach atmosfery, zaś część zostaje odbita przez chmury w przestrzeń kosmiczną (rys. 2). Wartość natężenia promieniowania słonecznego zależy od kąta padania promieni słonecznych względem po­ wierzchni Ziemi oraz od odległości Ziemi od Słońca (zmiana kąta padania promieni słonecznych i odległości Ziemi od Słońca wynika z ruchu obiegowego Ziemi wo­ kół Słońca oraz jej obrotu wokół własnej osi). Największa wartość natężenia promieniowania słonecznego występu­ je przy kącie padania promieni względem powierzchni wynoszącym 90°, najmniejsza zaś — przy kącie padania zbliżonym do zera. Poza tym wartość natężenia promie-

niowania słonecznego zależy od długości drogi, którą przebywają promienie przez atmosferę, od stopnia zapy­ lenia atmosfery, zawartości pary wodnej w atmosferze, zachmurzenia nieba itp. Powierzchnia Ziemi oraz każdy obiekt znajdujący się na niej poddana jest promieniowaniu słonecznemu bez­ pośredniemu i promieniowaniu rozproszenia, które łą­ cznie nazywa się promieniowaniem całkowitym. Promie­ niowanie to zmienia się zarówno w przestrzeni, jak i w czasie. Warunki nasłonecznienia w Polsce

Polska leży w strefie klimatu umiarkowanego między 49° a 54°50' szerokości geograficznej północnej. Położe­ nie geograficzne Polski pozwala na wykorzystanie energii słonecznej, bowiem całkowita gęstość energii promienio­ wania słonecznego wynosi od 930 do 1163 kW h/m 2•rok; podobnie jest w północnej Francji i RFN, czyli w kra­ jach położonych w tej samej szerokości geograficznej. Najwyższa roczna wartość promieniowania całkowite­ go występuje nad morzem oraz w górach, przy czym w okresie kwiecień—wrzesień miesięczne sumy promienio­ wania są wyższe na wybrzeżu, natomiast w okresie paź­ dziernik—marzec w górach. Jednak największym zróżni­ cowaniem charakteryzują się sezonowe sumy promienio­ wania. Na okres wiosenno-letni (IV—IX) w przeważającej części kraju przypada około 80% promieniowania całko­ witego. Wyjątek stanowią tereny górskie, w których udział promieniowania w okresie jesienno-zimowym (X—III) jest wyższy w stosunku do pozostałych obszarów kraju. Udział promieniowania bezpośredniego w stosunku do całkowitego w okresie wiosenno-letnim (IV—IX) docho

dzi do 53%, natomiast w okresie jesienno-zimowym (X—III) wynosi około 42%. Przykładowo dla Warszawy średnioroczny udział promieniowania bezpośredniego wynosi około 51%. Z kolei liczba godzin rocznego nasłonecznienia waha się od 1467 godzin na południu kraju (Zakopane) do 1726 na północy (Suwałki), średnio około 1600 godzin rocznie. Fotosynteza

Każdy organizm żywy, niezależnie od tego, czy jest to człowiek, zwierzę lub roślina, do swego normalnego funkcjonowania wymaga „spożycia" odpowiedniej ilości energii. Faktem jest również, że w innej postaci potrzeb­ na jest energia człowiekowi, a w zupełnie innej roślinie. Organizm ludzki czerpie energię z pożywienia, w odróż­ nieniu od świata roślinnego czerpiącego energię z pro­ mieniowania słonecznego. A zatem rośliny są „przetwor­ nikami" energii fal elektromagnetycznych na związki chemiczne, będące pokarmem dla ludzi i świata zwierzę­ cego. Proces wytwarzania związków chemicznych z dwu­ tlenku węgla (CO 2) i wody (H 2O) kosztem energii fal elektromagnetycznych nazywa się fotosyntezą. Miejscem fotosyntezy są chloroplasty — zielone ciałka roślin, za­ wierające głównie zielony barwnik chlorofil i w niezna­ cznej ilości karoten (rys. 3). W procesie fotosyntezy powstają węglowodany (cukry) oraz uwalnia się tlen. Cząsteczki cukrów biorą z kolei udział w łańcuchu przemian chemicznych, na skutek których powstają związki organiczne niezbędne do wzro­ stu rośliny. Najprostszym cukrem jest glukoza (CeH^Oe),

Węglowodany Tlen

Rys. 3. Poglądowe przedstawienie procesu fotosyntezy

która występuje w niewielkim procencie we wszystkich roślinach. Stanowi ona cegiełkę do budowy bardziej zło­ żonych cząsteczek, a mianowicie: tłuszczów, białek i cuk­ rów złożonych. Energia promieniowania słonecznego, jaka dociera do powierzchni roślin zaledwie w 1—2%, przekształcana jest w energię związków chemicznych, a zatem jest to proces o bardzo małej sprawności. Zwiększenie wydajności procesu fotosyntezy chociaż­ by o jeden procent spowodowałoby prawie dwukrotne zwiększenie produkcji żywności, co pozwoliłoby w zna­ cznym stopniu na zlikwidowanie grożącego światu wid­ ma głodu, będącego podstawowym problemem współ­ czesnej cywilizacji. A zatem nasuwa się pytanie: czy rze­ czywiście takie możliwości istnieją? Na pewno tak, skoro w ciągu kilkuset lat wydajność fotosyntezy wzrosła pra­ wie sześciokrotnie. W średniowieczu w procesie fotosyn­ tezy rośliny uprawne wykorzystywały zaledwie 0,25% energii promieniowania słonecznego, a plony zbóż wyno­ siły około 8 kwintali z hektara. Możliwość podwyższenia procesu fotosyntezy potwierdzają również takie rośliny,

jak: kukurydza, słonecznik, trzcina cukrowa, których sprawność wykorzystania energii słonecznej wynosi oko­ ło 10%, oraz badania, w trakcie których wykorzystanie promieniowania słonecznego przez rośliny osiąga wartość około 11%. Nie bez znaczenia dla wydajności procesu fotosyntezy jest wpływ takich czynników, jak: racjonalne nawożenie, właściwa ochrona roślin, ogólna poprawa stanu agrotechniki, wyhodowanie lepszych odmian uprawianych roślin itp. Ogniwa słoneczne

Ogniwa słoneczne są bezpośrednimi przetwornikami energii promieniowania słonecznego na energię elektry­ czną. Ze względu na sposób przetwarzania energii słone­ cznej w energię elektryczną rozróżnia się ogniwa foto­ chemiczne i ogniwa fotoelektryczne. Najprostsze ogniwo fotochemiczne, podobnie jak og­ niwo chemiczne, składa się z dwóch elektrod metalowych zanurzonych w roztworze danego metalu. Jeżeli jedna z elektrod zostanie poddana działaniu promieniowania sło­ necznego, to na zaciskach ogniwa powstaje różnica po­ tencjałów. Zjawisko to odkrył francuski uczony A. H. Becąuerel w drugiej połowie XIX wieku, prowadząc doświadczenia z ogniwem chemicznym. Ogniwa foto­ chemiczne nie znalazły dotychczas praktycznego zasto­ sowania z uwagi na niską wydajność. Tym niemniej prowadzone są badania na szeroką skalę, które być może w niedalekiej przyszłości zostaną uwieńczone suk-• • s0vWyttfai®taie energii elektrycznej w ogniwach fotoj£lekttyibzfi\^ft odbywa się na skutek wykorzystania zjawi

ska fotoelektrycznego, polegającego na zmianie elektry­ cznych właściwości ciał pod wpływem promieniowania słonecznego. Typowym ogniwem fotoelektrycznym jest ogniwo krzemowe, w którym wykorzystywane jest zjawi­ sko fotowoltaiczne (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne) obserwowane w półprzewodnikach. Krzem jako czysty materiał nie przewodzi prądu elek­ trycznego. Jednakże domieszkowanie czystego krzemu, mającego cztery elektrony walencyjne, atomami pier­ wiastka mającego więcej lub mniej elektronów walencyj­ nych niż atomy krzemu, umożliwia powstanie w nim nośników elektryczności. Atomy pierwiastków domiesz­ kowych można na przykład wprowadzić przez dyfuzję w czasie zetknięcia materiałów przy podwyższonych tem­ peraturach. Do krzemu można wprowadzić pierwiastek domiesz­ kowy mający trzy (np. trójwartościowy bor) lub pięć (np. pięciowartościowy arsen) elektronów walencyjnych w każdym atomie. Przy domieszkowaniu krzemu borem liczba elektro­ nów walencyjnych konieczna do utworzenia potrzebnych wiązań w sieci krystalicznej jest za mała. Powstają puste miejsca, które nazywają się dziurami. Dziury zachowują się jak ładunki dodatnie i mogą zmieniać swoje położenie wewnątrz materiału, stając się dodatnimi nośnikami elek­ tryczności. Materiał domieszkowany w taki sposób na­ zywa się półprzewodnikiem typu p. Z kolei przy domieszkowaniu krzemu arsenem uzysku­ je się wolne elektrony, niepotrzebne w wiązaniach ato­ mowych, które stają się ujemnymi nośnikami elektry­ czności. Materiał domieszkowany w taki sposób nazywa się półprzewodnikiem typu n. Zetknięcie ze sobą materiałów typu p i n daje złącze p-n (rys. 4), w którym pod wpływem promieniowania

< ?>

Promieniowanie słoneczne Rys. 4. Schcmai złącza ty­ pu p-n; 1 — materiał ty­ pu p, 2 — materiał typu n, 3 — warstwa przeciwodbla­ skowa

słonecznego tworzą się pary nośników elektryczności. W rezultacie na zaciskach złącza pojawia się siła elektromo­ toryczna. W ten sposób uzyskuje się pojedyncze ogniwo fotoelektryczne. Efekt taki występuje nie tylko w złą­ czach p-n, wytwarzanych z tego samego materiału, lecz również w heterozłączach, tworzonych między różnymi materiałami półprzewodnikowymi, lub złączach półprzewodnik-metal. Pojedyncze ogniwa łączy się w baterie, z których two­ rzy się zestawy o wymaganej mocy. Ogniwa fotoelektry­ czne mogą być ponadto wyposażone w soczewki lub całe układy optyczne skupiające promienie słoneczne, przez co uzyskuje się zmniejszenie zużycia materiału półprze­ wodnikowego na jednostkę zainstalowanej mocy. Do najczęściej stosowanych ogniw fotoelektrycznych należą ogniwa krzemowe. Odznaczają się one stosunko­ wo wysoką sprawnością dochodzącą do 20%. Ogniwa fo­ toelektryczne charakteryzuje ponadto duża niezawodność oraz długotrwałość działania. Stąd też pomimo dużych

kosztów produkcji znalazły one szerokie zastosownie w technice kosmicznej. W 1979 roku koszt wytworzenia 1 kWh energii ze źró­ deł konwencjonalnych był około 10 razy mniejszy w po­ równaniu do baterii słonecznych. Nakłady na produkcję baterii słonecznych o mocy 1 kW wynosiły około 5 tysię­ cy dolarów, przy czym koszty ich eksploatacji są niepo­ równywalnie niskie w odniesieniu do klasycznych elektrowni. Dlatego też możliwość powszechnego stoso­ wania baterii słonecznych (poza dziedziną techniki kos­ micznej i jak dotąd nielicznymi jeszcze próbami stoso­ wania ich w urządzeniach naziemnych, opisanymi w dal­ szej części podrozdziału) związana jest bezpośrednio z obniżeniem kosztów produkcji tych baterii oraz podwyż­ szeniem sprawności przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną. Ma to z kolei ścisły związek z opra­ cowaniem nowych, a jednocześnie bardziej ekonomicz­ nych technologii wytwarzania zarówno materiałów pół­ przewodnikowych, jak i baterii. Narodziny ery techniki kosmicznej wyznacza data 4 października 1957 roku. Jest to dzień, w którym uczeni i inżynierowie radzieccy odnieśli wielki sukces w historii techniki i dziejów ludzkości, umieszczając pierwszego sztucznego satelitę o nazwie „Sputnik 1“ na orbicie oko-

Rys. 6. Projekt amerykańskiej stacji kosmicznej przewidziany do budowy w 1990 roku

łoziemskiej. Ogniwa fotoelektryczne instalowane na sate­ litach badawczych i łącznościowych, statkach kosmicz­ nych i stacjach orbitalnych służą do zasilania różnorod­ nych urządzeń pokładowych. Przykładowo radziecka sta­ cja orbitalna „Salut 6“ wyposażona została w trzy płyty baterii słonecznych o rozpiętości 17 m (rys. 5). Zainsta­ lowane na stacji płyty o powierzchni 60 m2 umożliwiały uzyskiwanie energii elektrycznej o mocy 4 kW. Z kolei amerykański satelita „Skylab“, wystrzelony przez Stany Zjednoczone w 1973 roku, zawierał 147 840 ogniw krzemowych o wymiarach 2 x 4 cm i grubości 0,3 mm. Całkowita masa ogniw wynosiła około 86 kg, zaś osiągana z nich moc 11,5 kW. Rysunek 6 przedstawia projekt amerykańskiej stacji kosmicznej, przewidzianej do budowy w 1995 roku. Sta­

cja ta ma być wyposażona w ogniwa fotowoltaiczne, któ­ re pozwolą na uzyskiwanie mocy w granicach od 12 do 25 kW. Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem ogniw fotoelektrycznych do zasilania samolotów. Pierw­ sze próby zakończone pomyślnym rezultatem rozpoczę­ li amerykańscy konstruktorzy w ubiegłym dziesięciole­ ciu. Pionierski lot, a właściwie skok długości 800 m i wy­ sokości 15 m na dwupłatowcu o masie 60 kg, odbył się 29 kwietnia 1979 roku. Pilotem i konstruktorem pierwszego samolotu napę­ dzanego silnikiem elektrycznym, zasilanym przez baterię składającą się z 500 ogniw słonecznych, jest Larry Manro. Ogniwa fotoelektryczne będące źródłem energii elek­ trycznej stosowane są również coraz częściej na Ziemi, zwłaszcza w miejscach znajdujących się w znacznych od­ ległościach od central energetycznych. Szczególne osiąg­ nięcia w tej dziedzinie, proporcjonalne zresztą do nakła­ dów, mają: Związek Radziecki, Stany Zjednoczone, RFN, Francja i Japonia. Wykorzystanie naziemnych słonecznych instalacji ene­ rgetycznych jest różnorodne i nie sposób wymienić wszy­ stkich rozwiązań oraz zastosowań, nie mówiąc o podaniu choćby krótkiego opisu ich działania. Autorzy ograniczy­ li się do podania wybranych przykładów zastosowania słonecznych źródeł energii elektrycznej służących czło­ wiekowi do rozmaitych celów. We Francji, niedaleko Marsylii, zbudowano instalację zasilającą przekaźnik telewizyjny. W skład instalacji wchodzą 1024 ogniwa fotoelektryczne krzemowe o śred­ nicy 40 mm, które wytwarzają energię elektryczną o na­ pięciu 26,8 V i natężeniu prądu 278 mA. Ogniwa te oprócz zasilania przekaźnika telewizyjnego ładują również

akumulatury o pojemności 3000 Ah. Naładowane aku­ mulatory mogą bez przerwy zasilać urządzenia przekaź­ nika przez trzy bezsłoneczne miesiące. Ogniwa słoneczne do zasilania świateł instalowane są na bojach i znakach nawigacyjnych dróg wodnych. Takie urządzenia znajdują się między innymi na szlaku wod­ nym Rybińskiego Zbiornika Wodnego, charakteryzują­ cego się trudnymi warunkami eksploatacyjnymi. Zainsta­ lowane urządzenia działają bezawaryjnie, a okresowej kontroli wymagają jedynie akumulatory. Podobne urzą­ dzenia pracują na jeziorach radzieckich (Bajkał, Ładoga, Onega) oraz na morzach: Bałtyckim, Czarnym i Aralskim. Na Oceanie Indyjskim zakotwiczona jest boja z ogniwem o mocy 10 watów, utrzymująca łączność z prze­ latującym nad nią satelitą co 100 minut. Małe elektrownie słoneczne (to znaczy o małej mocy) wykorzystywane są między innymi do zasilania świateł latarni morskich, radiotelefonicznych punktów alarmo­ wych drogowych i kolejowych, automatycznych stacji meteorologicznych i przeciwpożarowych stacji w lasach i dżunglach itp. Od kilku lat funkcjonuje system zasilania bateriami słonecznymi radiostacji UKF, zbudowany na 400-kilometrowym odcinku magistrali gazowej, znajdującej się na półwyspie Mangyszłak w Związku Radzieckim. Ogniwa słoneczne pomyślnie zdały egzamin w wielu dziedzinach techniki. Znane są już radia, telewizory, kal­ kulatory, zegarki, lampy błyskowe do aparatów fotografi­ cznych, a nawet zabawki zasilane ogniwami słonecznymi. W ostatnim okresie zachodnioniemiecka firma AEG Telefunken rozpoczęła seryjną produkcję niewielkich ba­ terii słonecznych do zasilania małych urządzeń elektry­ cznych pracujących przy napięciu znamionowym 6 lub 12 V. Baterie te sprzedawane są w postaci modułów o

mocy jednego oraz dwu watów. Mniejszy z modułów ma wymiary 5x120x137 mm, większy 5x120x240 mm. W ce­ lu zabezpieczenia płytek krzemowych przed uszkodze­ niami mechanicznymi są one powleczone żywicą epoksy­ dową wzmocnioną włóknem szklanym. Natomiast japońska firma Sanyo Elektric opracowała dachówkę o wymiarach 10x305x305 mm — najczęściej stosowaną w Japonii — z wbudowaną w nią baterią sło­ neczną o mocy 2 W i napięciu 9 V. 1000 takich płyt dachówkowych zajmujących około 50% powierzchni da­ chu domku jednorodzinnego dostarcza 6 kWh energii na dobę, co odpowiada średniemu dobowemu poborowi energii w japońskim gospodarstwie domowym. Koszt za­ instalowania takich baterii jest o 25% niższy niż w przy­ padku zastosowania konwencjonalnych baterii słone­ cznych. Szczególnie duże nadzieje wiąże się z urzeczywistnie­ niem idei budowy samochodów napędzanych energią słoneczną. Między innymi prototyp takiego samochodu zbudowano w Szwecji. Był on wyposażony w 8 akumula­ torów ładowanych przez 502 baterie zamontowane na dachu. Uzyskiwana moc baterii wynosiła około 140 W. Samochód z dwiema osobami rozwijał prędkość do 50 km /h, przy czym zasięg wynosił zaledwie 10 km. Ostatnio Japończycy zaprzęgli energię słoneczną do oświetlania ulic. Na słupach 15-metrowej wysokości umieścili baterie słoneczne, które w dzień ładują akumu­ latory. Akumulatory te z chwilą zapadnięcia zmroku zasi­ lają instalację oświetleniową. Na uniwersytecie w Nebrasce uruchomiono deszczow­ nię na polu o powierzchni 30 ha, w której źródłem ene­ rgii są ogniwa fotoelektryczne. Całkowita moc baterii, złożonej z ogniw o mocy 0,5 W i średnicy 7,5 cm, wynosi 25 kW.

Z kolei w Australii wykonuje się ogrodzenia elektry­ czne o długościach 6,5 oraz 24 km, do zasilania których wykorzystuje się energię promieniowania słonecznego. W skład wyposażenia wchodzą akumulatory o pojemnoś­ ci zapewniającej ciągłą pracę urządzenia przez siedem pochmurnych dni. Czas ładowania akumulatorów wynosi jeden dzień. W tym miejscu warto wspomnieć o interesującym odkryciu, jakiego dokonała grupa japońskich uczonych. W poszukiwaniu nowych sposobów przetwarzania ene­ rgii promieniowania słonecznego w energię elektryczną odkryli oni, że cienka błona z chemicznie czystego chlo­ rofilu pochodzącego ze szpinaku oraz innych warzyw za­ chowuje się jak półprzewodnik. Po wystawieniu błony na działanie promieni słonecznych następowało przetwarza­ nie energii słonecznej w energię elektryczną. Fakt ten umożliwił znalezienia metody pozyskiwania czystego chlorofilu na drodze syntezy. Według opinii Instytutu Badawczego Ministerstwa Przemysłu i Handlu Japonii dokonane odkrycie przyczyniło się do budowy baterii słonecznych o dużych mocach. Jednocześnie okazuje się, że koszty budowy tych baterii będą nieporównywalnie niższe od kosztów ponoszonych na budowę dotychcza­ sowych baterii słonecznych — ogniw krzemowych. Te i wiele innych przykładów obrazujących wykorzy­ stanie energii promieniowania słonecznego sugeruje moż­ liwość, że w niedalekiej przyszłości będą budowane si­ łownie słoneczne, z których prąd „popłynie" do naszych mieszkań i zakładów przemysłowych, zastępując dotych­ czasowe źródła energii, których zasoby są przecież ogra­ niczone. Świadczyć o tym mogą olbrzymie nakłady fi­ nansowe wyasygnowane na ten cel w wielu krajach świa­ ta oraz powołanie odpowiednich placówek naukowo-ba­ dawczych do rozwiązywania problemów konstrukcyj­

no-technologicznych związanych z budową elektrowni słonecznych. Powstają projekty budowy elektrowni słonecznych sa­ telitarnych i naziemnych. Szczególnie te pierwsze będą wymagały wielkich nakładów finansowych, na które stać jedynie najzamożniejsze państwa. Rozważa się również możliwość wykorzystania Księżyca do wznoszenia części konstrukcji takich elektrowni, wykorzystując znajdujące się tam surowce, co prowadziłoby do skrócenia drogi transportu, a tym samym obniżenia kosztów wykonywa­ nych na Księżycu elementów siłowni. Jeden z pierwszych projektów budowy satelitarnej si­ łowni słonecznej został opracowany przez P. E. Glasera w 1968 roku. Na orbicie geostacjonarnej, a zatem nad wybranym regionem kuli ziemskiej w odległości około 36 tysięcy kilometrów, ma być umieszczony satelita z ogni­ wami fotoelektrycznymi (rys. 7). Wytwarzana energia elektryczna na pokładzie satelity ma być przesyłana w postaci wiązki mikrofal specjalną anteną nadawczą do an­ teny odbiorczej znajdującej się na Ziemi.

Promieniowanie słoneczne

Rys. 7. Schemat satelitarnej elektrowni słonecznej wg P. E. Glasera; 1 — zestaw ogniw fotoclcktrycznych, 2 — antena odbiorcza, 3 — wiązka mikrofal, 4 — orbita geostacjonarna, S — antena nadawcza

W roku 1980 odbyło się we Francji międzynarodowe sympozjum, którego celem było omówienie możliwości budowy elektrowni słonecznych na orbitach wokółziemskich oraz rozwiązanie wielu problemów konstrukcyj­ nych dotyczących tego zagadnienia. W wyniku przeprowadzonych dyskusji eksperci z po­ nad 20 państw doszli do wniosku, że już w obecnej chwi­ li istnieją podstawy, by opracować projekt takiej elek­ trowni o mocy rzędu 100—150 MW z możliwością jego realizacji na początku XXI w. Elektrownia ta byłaby swego rodzaju prototypem dla przyszłych siłowni orbi­ talnych o mocach od 5000 do 15 000 MW, pozwalającym na praktyczne sprawdzenie założeń techniczno-eksploa­ tacyjnych i ekonomicznych nowych urządzeń i systemów energetycznych. Zdaniem radzieckiego uczonego Jurija Zajcewa budo­ wa kosmicznych elektrowni będzie mieć sens tylko wte­ dy, kiedy wniosą one istotny wkład w energetykę świa­ tową, zapewniając pokrycie co najmniej 25% potrzeb sys­ temu światowego. Zatem już w początkach XXI wieku ich moc powinna wynosić około 1 miliona MW. Jednak pomimo rozwiązania podstawowych trudności technicznych budowa dużej liczby wielkich orbitalnych siłowni słonecznych stwarza wiele problemów związa­ nych z dostawą części składowych na orbitę okołoziemską oraz przesyłaniem uzyskanej energii. Masę elektrowni orbitalnej o mocy użytecznej 5000 MW, przy zastosowaniu obecnie seryjnie produ­ kowanych płytek krzemowych, oblicza się na około 800 000 ton, zatem dostarczenie jej elementów oraz urządzeń montażowych na orbitę wymagałoby kilkudzie­ sięciu tysięcy lotów statków transportowych o udźwigu równym dzisiejszym wahadłowcom amerykańskim. Bio­ rąc pod uwagę 30-letni okres realizacji budowy takiej

Rys. 8. System transportowy z wykorzystaniem wiązki laserowej jako źródła ene­ rgii transportowca

elektrowni, konieczne byłoby wykonanie kilku tysięcy lo­ tów rocznie, co nie wydaje się obecnie możliwe, nawet jeśli udałoby się zmniejszyć masę elektrowni do kilku­ dziesięciu tysięcy ton, dzięki zastosowaniu specjalnych folii zamiast płytek krzemowych. Jednocześnie koszt transportu na orbitę wokółziemską 1 kg ładunku, wyno­ szący obecnie od 400 do 600 $, niemal 15-krotnie prze­ wyższa ekonomicznie uzasadniony koszt wytwarzanej w ten sposób energii. Z powyższych danych widać, że realizacja wielkich si­ łowni orbitalnych musi być poprzedzona stworzeniem nowych środków transportowych, które będą mogły za­ bierać jednorazowo ładunki o masie 400—500 ton, przy jednoczesnym obniżeniu kosztu transportu od 30 do 40 $ za 1 kg masy. Członek Akademii Nauk ZSRR, W. S. Awdujewski, zaproponował jedno z ciekawszych rozwiązań tego prob­ lemu (rys. 8), którego istotą jest umieszczenie źródła energii napędowej silnika rakietowego na zewnątrz (poza

pokładem transportowca), w odróżnieniu od obecnych silników rakietowych, w których zarówno czynnik za­ pewniający ciąg, jak i źródła energii znajdują się na po­ kładzie rakiety. W zaproponowanym rozwiązaniu energia napędowa przekazywana byłaby z Ziemi lub bezpośred­ nio z wcześniej już powstałych siłowni orbitalnych za pomocą silnie skoncentrowanej wiązki laserowej. W ta­ kim przypadku czynnikiem roboczym mogłaby być wo­ da, która, podgrzewana przez promieniowanie laserowe do bardzo wysokich temperatur, tworzyłaby plazmę wy­ rzucaną z kolei przez specjalną naddźwiękową dyszę, nadając tym samym rakiecie siłę odrzutu. Siła ta według autora pomysłu zapewniałaby przyspieszenie rakiety od 1 do 2 g, co wystarcza do startu transportowca bezpośred­ nio z powierzchni Ziemi. Zaletą tego projektu jest rów-

Rys. 9. Siłownia orbitalna zc zwierciadłami koncentrują­ cymi promieniowanie słoneczne nad urządzeniem la­ serowym

nież ograniczenie zanieczyszczenia atmosfery produk­ tami spalania paliw w tradycyjnych silnikach rakieto­ wych, które, przy wymaganej do budowy elektrowni or­ bitalnych liczbie lotów, mogłyby stanowić poważne za­ grożenie ekologiczne. Natomiast naukowcy z NASA, dążąc do minimalizacji masy orbitalnych elektrowni słonecznych, prowadzą sze­ roko zakrojone badania nad możliwością bezpośredniego pompowania laserów energią promieniowania słoneczne­ go. Siłownia tego typu miałaby masę o około 40% mniej­ szą od siłowni z krzemowymi bateriami słonecznymi o tej samej mocy. Brane są przy tym pod uwagę dwa spo­ soby pompowania laserów: pierwszy przez bezpośrednie pochłanianie promieni słonecznych przez laserowy ośro­ dek czynny (np. jod lub bromek jodu), drugi zaś przez pośrednią absorpcję od ciała czarnego. W obu przypad­ kach, w celu zwiększenia intensywności pompowania, proponuje się wykorzystanie zwierciadeł parabolicznych skupiających promieniowanie słoneczne na komorze rezonansowej, zawierającej laserowy ośrodek czynny, lub na ciele czarnym (powodując jego nagrzanie do tem­ peratury około 2000 K). Elektrownie tego typu, oprócz przekazywania energii w postaci wiązki laserowej bez­ pośrednio na powierzchnię Ziemi, mogłyby zasilać rów­ nież transportowce zaprojektowane przez W. S. Awdujewskiego. Równocześnie z pracami nad siłowniami orbitalnymi powstają projekty budowy naziemnych elektrowni słone­ cznych na obszarach pustynnych, które z jednej strony są nie wykorzystywane przez człowieka, a z drugiej cha­ rakteryzują się dużym nasłonecznieniem. Siłownie te wykorzystują z reguły układy kolektorowe z koncentracją promieni słonecznych, które omówimy w dalszej części książki.

Kolektorami słonecznymi nazywa się urządzenia, które służą do przetwarzania energii promieniowania słonecz­ nego na energię cieplną. Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje kolektorów: kolektory skupiające i kolektory pła­ skie. W zależności od budowy kolektory można podzielić na trzy grupy: kolektory niskotemperaturowe, średniotem­ peraturowe i wysokotemperaturowe. Do grupy kolektorów niskotemperaturowych należą kolektory płaskie, w których uzyskuje się temperaturę czynnika roboczego do 373 K. Do grupy drugiej i trze­ ciej należą kolektory skupiające. W kolektorach średnio­ temperaturowych uzyskuje się temperaturę czynnika ro­ boczego od 373 do 473 K, natomiast w kolektorach wy­ sokotemperaturowych od 473 do 4000 K. W kolektorach skupiających stosowane są różne układy luster lub so­ czewki do zwiększenia gęstości strumienia promieniowa­ nia słonecznego padającego na powierzchnię pochłaniają­ cą promieniowanie, wykonaną w formie płaskich lub rurkowatych pochłaniaczy (rys. 10). W wyniku tego, pola powierzchni pochłaniających energię promieniowania są znacznie mniejsze w porównaniu z kolektorami płaskimi. Do zapewnienia prawidłowej pracy kolektorów skupiają­ cych niezbędne jest wyposażenie w urządzenia umożli­ wiające ich obrót wraz z ruchem Słońca tak, by kolektory były ustawione prostopadle do kierunku padania pro­ mieni słonecznych. W kolektorach skupiających następuje zwiększenie gę­ stości strumienia energii promieniowania padającego na powierzchnię pochłaniającą od 1,5 do 10 tysięcy razy w stosunku do gęstości promieniowania słonecznego, w wyniku czego istnieje możliwość uzyskania wysokiej

Rys. 10. Rozwiązanie układów skupiających promieniowanie słoneczne

temperatury czynnika roboczego, dochodzącej do 4000 K. Ze względu na wysoką temperaturę pracy ko­ lektory skupiające odznaczają się niższą sprawnością ciepl­ ną w porównaniu z kolektorami płaskimi. Sprawność ta wynosi od 40 do 60%. Główne zastosowanie tych kolektorów przewiduje się w elektrowniach słonecznych oraz w piecach słonecznych do topienia metali. Zbudowano już kilka elektrowni sło­ necznych, opartych na układach kolektorowych (Stany Zjednoczone, Australia, Francja, Algieria), o mocach od kilku do kilkuset kilowatów. W ramach programu „Małe siłownie słoneczne11 dzie­ więć państw — członków OECD, sfinansowało budowę

dwóch elektrowni o mocy 500 kW każda. Elektrownie te wzniesiono w półpustynnej części południowej Hiszpanii (koło Almerii), gdzie słońce świeci przez ponad 3000 go­ dzin rocznie. W pierwszej z nich, typu „wieża mocy“ (power tower), promieniowanie słoneczne ogniskowane jest przez wiele płaskich luster na powierzchni kotła umieszczone­ go na szczycie 40-metrowej wieży. Całkowita powierzch­ nia luster wynosi 4000 m2, a promieniowanie jest sku­ pione na otworze o wymiarach 3x3 m. Lustra wyposażo­ ne są w odpowiednie mechanizmy śledzące ruch Słońca (tzw. heliostaty), pozwalające na ciągłe ogniskowanie pro­ mieniowania słonecznego na powierzchni kotła, niezale­ żnie od położenia Słońca. Wewnątrz kotła znajdują się rury, przez które przepływa ciekły sód podgrzewany ene­ rgią słoneczną do temperatury powyżej 800 K. Następ­ nie gorący sód oddaje swoją energię cieplną w wymien­ nikach parze wodnej, wykorzystywanej z kolei już w spo­ sób tradycyjny do napędu turbogeneratorów. Natomiast w drugiej elektrowni typu „słoneczna farma“ (solar farm) promieniowanie ogniskowane jest za pomocą podłużnych zwierciadeł parbolicznych. W linio­ wym ognisku każdego zwierciadła umieszczona jest rura o zaczernionych ściankach, przez którą przepływa olej ogrzewany ciepłem słonecznym (rys. 11). Olej ten pod­ grzany do temperatury 700 K doprowadzany jest do wspólnego kolektora, a następnie do wymiennika wytwa­ rzającego parę wodną zasilającą turbogeneratory. Roz­ wiązanie to wydaje się bardziej korzystne od układu typu wieża, gdyż poszczególne kolektory nie wymagają urzą­ dzeń nastawczych, co znacznie obniża koszt budowy ta­ kiej elektrowni. Obecnie w Barstow, obok działającej już od 1985 r. siłowni o mocy 10 MW, powstaje największa elektrownia

Rys. II. Schemat działania elektrowni słonecznej typu słoneczna farma; I — zwierciadło paraboliczne, 2 — zbiornik, 3 — wymiennik, 4 — turbina pa­ rowa, 5 — generator, 6 — transformator

typu „wieża mocy“. Zakończenie jej budowy przewiduje się na rok 1990 i w tym też roku ma ona osiągnąć swą nominalną moc 250 MW. Natomiast w 1970 roku we francuskiej miejscowości Odeillo w Pirenejach zbudowano największy piec do to­ pienia metali o mocy 1000 kW, w którym osiągana jest temperatura do 4000 K. Powierzchnia luster skupiają­ cych wynosi 2000 m2. Kolektory skupiające wykorzystywane są również do pompowania wody, nawadniania, chłodzenia, oświetlania lub jako kuchnie słoneczne służące do przygotowywania posiłków.

Jak dotychczas najszersze zastosowanie w praktyce znalazły kolektory płaskie. Rozróżnia się kolektory ru­ chome i kolektory stałe. Kolektory ruchome, w odróż­ nieniu od kolektorów stałych, mają specjalne urządzenie, zwane heliostatem, które przez cały czas utrzymuje kąt prosty pomiędzy promieniami słonecznymi a powierzch­ nią kolektora. Jednakże złożoność konstrukcji oraz koszt heliostatu nie pozwala na stosowanie go w prakty­ ce. Dlatego ważnym zagadnieniem przy budowie kolek­ torów stałych jest znajomość optymalnego kąta nachyle­ nia powierzchni kolektora, zapewniającego jak najwięk­ sze napromieniowanie przez jak najdłuższy okres dnia. Optymalny kąt nachylenia płaszczyzny zależy od szero-

Rys. 12. Zależność kąta pochylenia powierzchni kolektora od pory roku i szero­ kości geograficznej

Rys. 13. Kolektor płytowy do podgrzewania cieczy; 1 — płyta pochłaniająca, 2 — powłoka przezroczysta, 3 — obudowa, 4 — izolacja

Rys. 14. Kolektor rurkowy; 1 — rurka, 2 — płyta pochła­ niająca, 3 — izolacja, 4 — obu­ dowa, 5 — osłona

^w y ^w y w A

Rys. 15. Przykłady roz­ wiązań kolektorów pła­ skich; 1 — osłona, 2 — płyta lub rurki po­ chłaniające, 3 — obu­ dowa .

kości geograficznej i pory roku. Dobór kąta pochylenia kolektora w zależności od położenia geograficznego i po­ ry roku przedstawiają wykresy zamieszczone na rysun­ ku 12. Z uwagi na dużą zmienność wartości kąta opty­ malnego może zachodzić konieczność określenia z góry pory roku, w której będzie wykorzystywana energia sło-

neczna. Na obszarze Polski od czerwca do września op­ tymalny kąt nachylenia kolektora wynosi 42,5°, a od października do marca — 70°. Wśród stosowanych kolektorów płaskich wyróż­ nia się kolektory płytowe (rys. 13) i kolektory rurkowe (rys. 14.). Kolektor płytowy zbudowany jest z powłoki przezro­ czystej, przepuszczającej promieniowanie słoneczne, oraz z płyty pochłaniającej promieniowanie (absorbera), znaj­ dującej się w pewnej odległości od powłoki przezroczy­ stej. Absorber jest umieszczony w obudowie będącej izo­ lacją cieplną. Tego typu kolektor stosowany jest przede Rys. 17. Kolektor płaski zbudowany przez Instytut Mechani­ zacji Rolnictwa i Leśnictwa SGGW-AR

Rys. 18. Kolektor zainstalowany na dachu budynku mieszkalnego

Rys. 19. Kolektor płaski na domku jednorodzinnym

Rys. 20. Kolektor płaski zainstalowany na balkonie budynku

wszystkim do podgrzewania powietrza, które przepływa między absorberem a powłoką przezroczystą i dnem kolektora. W kolektorze rurkowym absorber stanowi płyta meta­ lowa z rurkami, przez które przepływa ciecz w systemie grawitacyjnym lub wymuszonym, odbierając ciepło od płyty i rurek.

Na rysunku 15 przedstawiono różne rozwiązania ko­ lektorów. Pięć pierwszych stosuje się do podgrzewania powietrza, zaś ostatni do podgrzewania cieczy. Do podgrzewania powietrza stosowane są również ko­ lektory cylindryczne (rurowe) przedstawione na rysunku 16. Kolektor cylindryczny składa się z dwóch rur: po­ chłaniającej i przezroczystej. Przepływ powietrza może być dwojaki: albo tylko przez rurę pochłaniającą, albo jednocześnie przez rurę pochłaniającą i przepuszczającą promieniowanie słoneczne. Niektóre przykłady rozwią­ zań konstrukcyjnych kolektorów rurowych i płaskich przedstawiono na rysunkach 17—20. Sprawność kolektorów do podgrzewania powietrza wy­ nosi od 20 do 80% (przeciętnie 50—60%), natomiast sprawność kolektorów do podgrzewania wody — od 50 do 80%. Najwyższe sprawności cieplne uzyskuje się przy pochłaniaczu wykonanym z elementów metalowych. Materiały stosowane do budowy kolektorów słonecznych

Osłona (pokrycie) kolektora musi być przezroczysta dla promieniowania słonecznego. Zadaniem osłony prze­ zroczystej jest zmniejszenie strat ciepła do otoczenia oraz zabezpieczenie kolektora przed wpływem czynników at­ mosferycznych. Na osłony kolektorów używa się szkła zwykłego lub hartowanego, jak również tworzyw sztu­ cznych odpornych na działanie promieniowania ultrafio­ letowego (polimetakrylan metylu, tworzywa epoksydowe i poliestrowe zbrojone włóknem szklanym oraz inne). Ważnym zagadnieniem przy budowie kolektora jest uwzględnienie możliwości wydłużeń osłony spowodowa­ nych zmianami temperatury, co należy przewidzieć przy mocowaniu osłony w ramie kolektora.

Materiałem najczęściej stosowanym na osłony jest szkło. Kolektory przeznaczone do pracy w okresie wio­ senno-letnim mają zazwyczaj osłony pojedyncze, nato­ miast kolektory pracujące przez cały rok oraz przystoso­ wane do czynnika roboczego powyżej 60° — osłony podwójne. Osłona wykonana z szyby szklanej grubości 3—4 mm przepuszcza około 86% energii, natomiast każ­ da dodatkowa osłona zmniejsza wartość uzyskanej ene­ rgii o następne 12—13%. Powierzchnia najczęściej spo­ tykanych kolektorów wynosi 1,5—2 m2. Podstawowy element kolektora stanowi płyta pochła­ niająca, której zadaniem jest pochłanianie energii pro­ mieniowania słonecznego, a następnie przekazywanie jej czynnikowi roboczemu. Zatem od materiałów na płyty wymagana jest duża pojemność cieplna, dobra przewod­ ność ciepła oraz odporność na korozję. Poza tym mate­ riały na płyty winny charakteryzować się małą masą właściwą oraz łatwą obrabialnością. Najlepszym materia­ łem na płyty jest miedź, a w dalszej kolejności alumi­ nium, stal i tworzywa sztuczne (polipropylen, sieciowany polietylen, polibutan i inne). Dla porównania przewod­ ność cieplna miedzi wynosi 390 W /m -K , zaś żelaza 60 W /m -K . Płyty pochłaniające wykonywane są z dwu warstw zgrzewanej blachy o różnie profilowanych kanałach lub z rurek osadzonych w płycie. Grubość płyty powinna wy­ nosić od 0,5 do 0,8 mm. Czołowa strona płyty pokryta jest warstwą pochłania­ jącą, od której zależy moc cieplna oraz sprawność kolek­ tora. Warstwa pochłaniająca winna charakteryzować się dużą selektywnością, tzn. mieć możliwie dużą wartość współczynnika pochłaniania promieniowania i odpowied­ nio małą wartość współczynnika emisji przy danych dłu­ gościach fali. Na warstwy pochłaniające stosuje się różne

materiały, przeważnie w kolorze czarnym, na przykład: farbę czarną Nextel 3M, nikiel czarny, czerń chromową, miedź polerowaną lub tlenki magnezu. Pomimo że moc cieplna kolektora selektywnego (pokrytego czarnym chro­ mem) jest o ponad połowę większa od mocy takiego sa­ mego kolektora pokrytego czarną farbą, to jednak nie re­ kompensuje to kosztów wykonania. Warstwy pochłania­ jące na bazie związków metali są około 50 razy droższe od powłok lakierniczych. Najbardziej powszechną metodą uzyskiwania warstwy pochłaniającej jest pokrywanie płyty czarną, matową far­ bą o konsystencji dającej powierzchnię chropowatą. Zadaniem izolacji cieplnej jest ograniczenie strat ciepła w kolektorze. Materiał izolacyjny powinien mieć jak najmniejszy współczynnik przewodności cieplnej, małą masę właściwą, dużą wytrzymałość mechaniczną oraz powinien być odporny na zmiany temperatury i zawilgo­ cenie. Najodpowiedniejszymi materiałami na izolację są: wełna mineralna, wata szklana i pianka poliuretanowa. W naszych warunkach klimatycznych stosuje się war­ stwy izolacyjne grubości od 30 do 50 mm. Elementem łączącym poszczególne części kolektora jest rama. Ramy mogą być wykonywane z aluminium, stali, drewna lub tworzyw sztucznych. Ciepło absorbowane przez płytę pochłaniającą odbiera czynnik roboczy przepływający przez kolektor. Czynni­ kiem roboczym może być powietrze lub ciecz, w zależ­ ności od przeznaczenia kolektora. Spośród cieczy naj­ częściej stosowanym czynnikiem roboczym jest woda. Jednocześnie należy pamiętać, że woda może być stoso­ wana w kolektorach eksploatowanych tylko w okresie wiosenno-letnim. Jeżeli chcemy je eksploatować również w okresie zimowym, należy je wówczas napełnić cieczą o dostatecznie niskiej temperaturze krzepnięcia. Do cieczy

stosowanych w okresie zimowym należą: wodny roztwór glikolu etylenowego lub propylenowego oraz płyny sto­ sowane do chłodzenia silników spalinowych (samocho­ dowych), na przykład borygo, zawierające dodatkowo inhibitory antykorozyjne; przykładowo: temperatura krzepnięcia 50% roztworu glikolu etylenowego wynosi 237 K, 50% roztworu glikolu propylenowego — 240 K, a boryga — 233 K. Magazynowanie energii

Jednym z czynników ograniczających szersze wyko­ rzystanie energii słonecznej jest problem jej magazyno­ wania (przechowywania). Energia promieniowania słone­ cznego jest absorbowana i zamieniana w energię cieplną wówczas, gdy świeci słońce. A co zrobić w nocy oraz w dni, kiedy do kolektora nie dociera energia słoneczna? Wyjście jest jedno — trzeba poczynić „zapasy11. Spośród wielu sposobów magazynowania energii ciepl­ nej do najprostszych i najczęściej stosowanych należy podgrzewanie wody w zbiornikach zamkniętych lub ot­ wartych, przy czym mogą to być zbiorniki bezpośrednio zasilające instalacje (rys. 21) lub zbiorniki z wymienni­ kami ciepła (rys. 22). Zasobnikami energii cieplnej mogą być naturalne zbiorniki wodne, na przykład jeziora i stawy, spełniające jednocześnie zadania kolektorów. W tym przypadku po­ chłaniaczem jest woda znajdująca się w zbiorniku, który można dodatkowo wyposażyć w osłonę. Przy naświetla­ niu promieniowaniem słonecznym temperatura wody wzrasta dzięki bezpośredniej absorbcji energii promie­ niowania słonecznego lub przewodzenie energii cieplnej od płyty pochłaniającej umieszczonej na dnie zbiornika.



0 1

•CO
7 X 2 g X 1£ | $ £ u ^