Dołącz do czytelników
Brak wyników

Budownictwo mieszkaniowe jedno- i wielorodzinne

7 listopada 2018

NR 7 (Październik 2018)

Wykorzystanie energii słonecznej w budownictwie

0 5

Energia „płynąca“ z tzw. źródeł odnawialnych/niekonwencjonalnych, docierająca do Ziemi lub będąca wynikiem zjawisk naturalnych na jej powierzchni (np. pochodząca z wody i wiatru), jest przeogromna i tylko specjaliści zajmujący się tą dziedziną próbują oszacować i wyliczyć jej wielkość. Dlaczego więc nie wykorzystać jej w budownictwie?


Przeciętny człowiek ma jedynie świadomość, że energia pochodząca z takich źródeł jak słońce, wiatr, woda, wyładowania atmosferyczne czy geotermia jest bardzo duża i że gdyby móc ją przynajmniej w części opanować i spożytkować, to okazałoby się, że energii wszelakiego rodzaju mamy w nadmiarze. 
Spośród wielu źródeł energii odnawialnej (czyli takiej, która nie podlega zużyciu) za najbezpieczniejszą uważa się energię pochodzącą z promieniowania słonecznego. Jedynie 50% energii docierającej ze słońca jest dostępna na Ziemi. Reszta jest odbijana (20%) i pochłaniana (30%) przez atmosferę. Część z tych 50% docierających na Ziemię jest wykorzystywana przez organizmy zamieszkujące naszą planetę. W praktyce energia pochodząca z promieniowania słonecznego wykorzystywana jest najczęściej w takich dziedzinach jak: budownictwo (cele grzewcze i chłodnicze), rolnictwo (na potrzeby np. suszenia), motoryzacja (nowe napędy – silniki), a stosunkowo od niedawna również jako jedno ze źródeł pozyskiwania energii elektrycznej (ogniwa fotowoltaiczne) zasilającej wszelkiego rodzaju urządzenia na prąd. 
Energię słoneczną, czyli taką pochodzącą z promieniowania słonecznego, można pozyskiwać następującymi sposobami:

  • poprzez zamianę bezpośrednią na energię elektryczną (konwersja fotowoltaiczna),
  • poprzez zamianę pośrednią na energię elektryczną (piece słoneczne),
  • poprzez zamianę na energię cieplną (konwersja fototermiczna).

    
Warunki nasłonecznienia w Polsce a możliwości wykorzystania energii słońca

W artykule zajmiemy się jedynie wycinkiem tej problematyki, a mianowicie wykorzystaniem energii słonecznej w budownictwie.
Jak łatwo się domyślić, sens i zakres wykorzystywania energii słonecznej zależy przede wszystkim od ilości tej energii docierającej do powierzchni Ziemi w sposób bezpośredni w postaci promieniowania słonecznego. Ilość tej docierającej energii zależy m.in. od liczb dni słonecznych (tzw. dni pogodne, bez zachmurzenia) w danej szerokości (położeniu) geograficznej. W związku z tym jej wykorzystanie będzie większe i intensywniejsze, a także bardziej opłacalne w rejonach świata, gdzie tego promieniowania jest więcej.
Już po pobieżnej analizie przedstawionych na rys. 1.–3. map nasłonecznienia Ziemi, Europy i Polski widać, że w naszym kraju nie mamy zbyt dobrych warunków dla poboru energii słonecznej. Dociera jej do nas (w Polsce) ok. 900–1200 kWh/m2 (podobnie jak w Niemczech czy północnej Francji), podczas gdy np. w Afryce dociera jej blisko 2,5 razy więcej. Czy zatem jest to energia, której nie opłaca się pozyskiwać w naszej szerokości geograficznej? Nic bardziej błędnego – otóż, jak wspomniano na początku, ilość energii słonecznej docierającej do Ziemi jest bardzo duża i nawet te wartości docierające do Europy są na tyle znaczące, że np. liderem w zastosowaniu i wykorzystaniu energii płynącej z ogniw fotowoltaicznych są Niemcy – w 2011 roku 32 380 MW mocy paneli słonecznych posiadały właśnie Niemcy. Dla porównania, potencjał polskich konwencjonalnych elektrowni (czyli elektrowni zasilanych węglem, koksem, miałem, mazutem, gazem itd.) wynosił wtedy około 38 000 MW.

Rys.1. Budowa ogniwa fotowoltaicznego – wg portalu fundacjaenergia.pl

Technologie wykorzystania energii słonecznej w budownictwie mieszkalnym

W szeroko pojętym budownictwie ogólnym (także mieszkalnym) zastosowanie znajdują przede wszystkim urządzenia techniczne przetwarzające energię słoneczną, tzw. aktywne systemy pozyskiwania energii słonecznej, takie jak:

  • ogniwa fotowoltaiczne (zamiana energii słonecznej na energię elektryczną),
  • kolektory słoneczne (zamiana energii słonecznej na energię cieplną),
  • systemy klimatyzacji zasilane energią słoneczną.

W budownictwie stosuje się także tzw. pasywne sposoby pozyskania energii słonecznej – m.in. poprzez znaczące zmniejszenie strat ciepła, ale także pozyskiwanie energii bezpośrednio z promieniowania słonecznego. Przykładowo zastosowanie paneli słonecznych o mocy 1 kW zapewni wystarczającą ilość energii elektrycznej, jaka jest potrzebna w przeciętnym gospodarstwie domowym, składającym się z 4-osobowej rodziny (oświetlenie mieszkania, zasilanie drobnych sprzętów domowych: radia, telewizora, lodówki, kuchenki mikrofalowej).

Rys. 2. Schemat instalacji fotowoltaicznej – wg portalu bisonenergy.pl

Systemy fotowoltaiczne (tzw. fotowoltaika)

Systemy te służą do bezpośredniej konwersji światła (promienie słoneczne) w prąd elektryczny. Wykorzystują różną liczbę połączonych ze sobą ogniw słonecznych, które razem tworzą moduł fotowoltaiczny. Pojedyncze ogniwa mogą różnić się wielkością –
ich przekrój wynosi od około 1 do 10 cm. 
Jedno ogniwo ma moc pomiędzy 1 a 2 W, co nie jest wystarczające w przypadku większości zastosowań. Dlatego ogniwa słoneczne do użytku domowego grupuje się w większej liczbie i montuje na dachach. 
Ogniwo fotowoltaiczne składa się z materiału półprzewodzącego (np. krzemu), który znajduje się między dwoma płytkami kontaktowymi o różnych ładunkach (górna płytka jest dodatnia, a dolna ujemna). W wyniku absorbcji fotonów z fali świetlnej materiał półprzewodzący uwalnia elektrony. Uwolnione elektrony są wychwytywane, a ich strumień tworzy prąd elektryczny. Technologia fotowoltaiczna jest szybko rozwijającą się dziedziną, pozyskującą energię z promieniowania słonecznego. Panele fotowoltaiczne montowane są już dzisiaj na wsiach, w miastach i na osiedlach, będąc coraz popularniejszym źródłem pozyskiwania energii dla domostw. Ten sposób wytwarzania energii elektrycznej jest bardzo ciekawą perspektywą wykorzystywania energii promieniowania słonecznego, energii „czystej”, ekologicznej. Dlatego w tej dziedzinie prowadzone są intensywne badania, wdrażane są coraz nowocześniejsze technologie i poszukuje się nowych zastosowań.
Ogniwa fotowoltaiczne w postaci modułów zasilają energią elektryczną systemy oświetleniowe, odbiorniki telewizyjne i inne domowe urządzenia elektryczne. Stanowią również elementy budowlane. Mogą one tworzyć zintegrowane systemy dachowe lub ścienne. Typowe moduły produkowane są w przedziale od 60 do 
350 W i rozmiarach do kilku m2, w zależności od technologii i sprawności. 
Obecnie panele fotowoltaiczne często stosuje się jako okładziny ścian zewnętrznych budynku, gdzie chłodzona jest wewnętrzna powierzchnia modułów ogniw fotowoltaicznych, a pozyskane ciepło jest wykorzystywane do celów grzewczych.
Ogniwa fotowoltaiczne są coraz częściej stosowane jako elementy systemów aktywnych, zasilające takie urządzenia jak pompy cyrkulacyjne. Najczęściej stosowanymi technologiami w zakresie ogniw fotowoltaicznych są:

  • moduły z krystalicznego krzemu (mono i multi) – 80% rynku:
    • czystość krzemu – 99,999999%,
    • grubość półprzewodników – 250–40 μm (1 μm = 0,001 mm);
  • moduły cienkowarstwowe: 
    • amorficzny krzem (a-Si) – grubość 1 μm,
    • wielowarstwowa cienka folia krzemowa (a-Si/μc-Si) – grubość 3 μm,
    • tellurek kadmu – CdTe,
    • mieszanka miedzi, indu, selenu – CI(G)S.

Obecnie wykorzystanie zamiany promieniowania słonecznego na energię elektryczną przy zastosowaniu technologii fotowoltaicznej jest wciąż dosyć drogie, m.in. z uwagi na wysoką cenę stosowanych ogniw i ich stosunkowo niewielką sprawność, wynoszącą w praktyce kilkanaście procent.
Koszty wyprodukowania baterii akumulatorów, układów sterowania i samych ogniw są wciąż wysokie, co sprawia, że inwestycja w nie jest droga. Należy jednak ją realizować, jeśli chce się wykorzystywać w praktyce energię promieniowania słonecznego, gdyż zarówno same ogniwa, jak i akumulatory dają prąd stały.

Termiczne systemy solarne (kolektory słoneczne)

Systemy te składają się z urządzeń przetwarzających energię promieniowania słonecznego na energię cieplną i nazywają się kolektorami słonecznymi. Kolektory umieszcza się najczęściej na dachach budynków pod odpowiednimi kątami nachylenia względem kąta padania promieni słonecznych (tak aby najwydajniej mogły czerpać pochodzącą z promieniowania energię). Energia pochodząca z promieni słonecznych, padając na płaszczyznę kolektorów, podgrzewa zawartą w nich ciecz do wysokich temperatur, a podgrzany płyn dostaje się rurami do zbiornika, gdzie – oddając ciepło – ogrzewa zmagazynowaną w nim wodę. Na podobnej zasadzie działają kolektory powietrzne, gdzie nośnikiem przekazującym ciepło jest nie ciecz, a powietrze. Spośród występujących różnych rodzajów kolektorów słonecznych najbardziej rozpowszechnionymi są rurowe kolektory próżniowe (stanowią ok. 44% kolektorów) oraz kolektory płaskopłytowe (stanowią
ok. 34%) – są one stosowane przede wszystkim do podgrzania wody użytkowej. 
Do podgrzewania wody w basenach przydomowych stosuje się z kolei k...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań magazynu "Forum Nowoczesnego Budownictwa"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy