Magazynowanie energii w dużych instalacjach solarnych

Bilans energetyczny instalacji solarnej

Z uwagi na fakt, że największe promieniowanie słoneczne przypada na okres letni, a szczyt okresu grzewczego mamy zimą, w instalacjach solarnych do przygotowania ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania występuje problem produkcji nadmiaru energii w okresie letnim.

Aby instalacja solarna w całości pokrywała zapotrzebowanie na c.w.u. i rzeczywiście wspomagała ogrzewanie, jej uzysk solarny powinien zrównoważyć całkowite potrzeby cieplne (rys. 1 – suma pól pod linią żółtą określającą energię podgrzewu wody oraz pod linią czerwoną wyznaczającą energię do wspomagania ogrzewania). Sytuację taką można uzyskać poprzez zwiększenie powierzchni kolektorów słonecznych, a co za tym idzie, zwiększenie uzysku solarnego instalacji solarnej (rys. 2).

Aby powstały w okresie od kwietnia do września nadmiar energii cieplnej do wspomagania ogrzewania wykorzystać w pozostałej części roku, niezbędne jest jej zmagazynowanie (rys. 3).

Sposoby magazynowania energii

Pierwsze instalacje powstały pod koniec ubiegłego wieku, a zastosowane w nich sposoby magazynowania energii przedstawiono na rys. 4.

W przypadku zbiorników wodno-żwirowych (rys. 5) jako medium magazynujące wykorzystuje się mieszaninę wody i żwiru. Technologia ta jest stosunkowo prosta, gdyż wykopany dół, który jest odizolowany cieplnie od otoczenia, wypełniany jest medium, a następnie przykrywany. Pobieranie ciepłej wody odbywa się bezpośrednio ze zbiornika albo za pośrednictwem wężownicy rozłożonej w zbiorniku.

W zbiornikach z sondami ziemnymi (rys. 6) medium magazynujące to gleba albo skały. Ładowanie i rozładowanie zbiornika następuje za pośrednictwem tak zwanych sond rurowych typu U (współosiowe rurowe wymienniki ciepła) umieszczonych w otworach wiertniczych o głębokości od 20 do 100 metrów. Energia transportowana jest dzięki przewodzeniu ciepła.

W przypadku magazynowania w warstwach wodonośnych (rys. 7) wykorzystuje się do tego szczeliny skalne, przy czym warstwy wodonośne są od dołu i od góry doszczelnione. Ciepło dostarczane jest do nich i z nich pobierane za pośrednictwem studni głębinowych.

Koszty związane z zastosowaniem tego typu zbiorników oraz zestawienie parametrów przedstawiono na rys. 8 i w tab. 1. Przy każdym rozwiązaniu niezbędne jest dokładne rozpoznanie geologiczne gruntu i potrzeb energetycznych obiektów, które mają być zasilane solarnie. Zaleca się wykorzystanie w procesie projektowania profesjonalnych programów symulacyjnych.

Przybliżone wartości wymaganej pojemności zbiornika przypadającej na 1 m2 czynnej powierzchni płaskich kolektorów słonecznych, przy założeniu 50-proc. pokrycia całkowitych potrzeb energetycznych, przedstawiono w tab. 2.

Ograniczenia techniczne

W trakcie użytkowania opisywanych instalacji największym problemem była realizacja wspomagania ogrzewania budynków oraz uzyskanie odpowiedniego, niezależnego od aktualnego rozbioru, poziomu temperatur na powrocie z instalacji. Sformułowano wniosek, by tego typu instalacje realizowano w obiektach, które są energooszczędne i mają wyłącznie niskotemperaturowe systemy ogrzewania.

Instalacje kolektorów słonecznych z uwagi na ich wielkość były starannie projektowane, stosowano systemy wolnego przepływu w kolektorach, prawidłowo zwymiarowane przewody oraz zawory regulacyjne dla uzyskania hydraulicznego zrównoważenia pól instalacji. Mimo to zdarzały się reklamacje użytkowników. Poniżej omówiono szerzej jeden z takich przypadków.

Po stosunkowo długim okresie użytkowania instalacji w obiekcie w Hamburgu lokatorzy skarżyli się na odgłosy dochodzące z instalacji (uderzenia kondensacyjne). Dokonano pomiarów przepływu na poszczególnych polach kolektorów słonecznych i na dwóch polach stwierdzono wartości znacznie odbiegające od poziomu przepływów na pozostałych polach. Jednak przyczyny takiego stanu rzeczy nie udało się stwierdzić. Bardzo pracochłonne odpowietrzanie i sprawdzanie prawidłowości działania odpowietrzników nie przyniosło efektów.

Zdecydowano się na zastosowanie termografii, by znaleźć ogniska zakłóceń przepływu. W celu uniknięcia wpływu na wynik promieniowania słonecznego lub odbicia promieni pomiary przeprowadzono w ciemności. Do kolektorów tłoczone było ciepło ze zbiornika centralnego. Stwierdzono liczne przypadki występowania różnych przepływów na polach kolektorów (fot. 1).

Na górnym lewym zdjęciu widnieje obraz typowego pola kolektorów słonecznych, w którym zarejestrowano równomierny przepływ. Na pozostałych zdjęciach przedstawiono przypadki zakłóceń przepływu, przy czym dochodziło do nierównomierności przepływu w obrębie pola kolektorów (górne prawe zdjęcie) lub do obniżenia przepływu przez całe pola kolektorów w obrębie instalacji solarnej składającej się z sześciu pól (zdjęcie dolne – pola 1 i 3).

Przyczyn zaistniałej sytuacji można szukać w powstawaniu zatorów na drodze medium grzewczego przed polem kolektorów lub w jego obrębie. Ponieważ lokatorzy sygnalizowali występowanie uderzeń kondensacyjnych, spodziewać się można, że instalacja zapowietrzała się, co skutkowało brakiem przepływu w kolektorach i powstawaniem w nich pary.

Gdy do zaparowanej przestrzeni dostawało się chłodniejsze medium, dochodziło do gwałtownego skraplania, objawiającego się hałasami w instalacji. W celu poprawy sytuacji firma monitorująca pracę instalacji zamierza przeprowadzić płukanie wybranych pól kolektorów. Opisane zjawiska prowadziły też problemów z zaparowaniem kolektorów ze względu na brak możliwości ich prawidłowego wygrzania (fot. 2).

Kolejnym problemem w pracy instalacji solarnych były stosunkowo duże straty energii w obrębie zbiorników mimo zastosowania najlepszych możliwych rozwiązań ich izolacji. Prowadzone są prace nad wykorzystaniem podziemnych wyrobisk górniczych jako zbiorników magazynujących energię. Prace studyjne zapowiadają sukces tych przedsięwzięć.

Zasygnalizowane wcześniej trudności z uzyskaniem właściwych parametrów instalacji spowodowane były często niewłaściwą regulacją instalacji albo nieprawidłową nastawą parametrów. Zdarzały się również proste błędy związane z długimi odcinkami pomiędzy kolektorami słonecznymi a wymiennikami ciepła zamontowanymi w kotłowni.

Ciepło transportowane z kolektorów słonecznych dociera do wymiennika po czasie zależnym od długości odcinka pomiędzy kolektorami a wymiennikiem, do tego momentu przez wymiennik przepływa ciecz znajdująca się na odcinku pomiędzy nimi, zwykle o temperaturze niższej niż w kolektorach. W przypadku niewłaściwego oczujnikowania lub braku by-passu (rys. 9 po prawej) efektem było wychładzanie bufora ciepła.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono najpopularniejsze sposoby magazynowania energii słonecznej celem zwiększenia jej wykorzystania do przygotowywania ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania. Inne możliwości wykorzystania energii słonecznej oraz metody jej magazynowania opisane zostaną w kolejnym artykule.

Literatura

1. Müller-Steinhagen H., Solar unterstützte Nahwärme und Langzeitwärmespeicher, Forschungsbericht zum BMWA/BMU Vorhaben, Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT) 2005, http://www.solites.de.
2. Schlosser M., Heuer M., Fisch M.N., Langzeitmonitoring.Solar unterstützte Nahwärmeversorgung Hamburg-Bramfeld, TU Braunschweig 2007, http://www.igs.bau. tu-bs.de.
3. Solar unterstützte Nahwärme, www.solarthermie2000.de.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!