Nowoczesne metody magazynowania i wykorzystywania energii słonecznej

Tradycyjne sposoby magazynowania energii

W zależności od celu, w jakim w budynkach indywidualnych wykorzystuje się energię słoneczną (podgrzew ciepłej wody użytkowej, wspomaganie ogrzewania itp.), instalacje zaopatrzone są w zasobniki ciepłej wody użytkowej, bufory wody kotłowej lub zasobniki kombinowane. Na rys. 1 pokazano podstawowe rodzaje zasobników stosowanych w tradycyjnych zestawach solarnych do przygotowania c.w.u.

Stosowanie zasobników z wężownicą, z uwagi na różny poziom temperatur cieczy dochodzącej do poszczególnych króćców, prowadzi do zjawiska wymieszania cieczy, a co za tym idzie do zniszczenia struktury warstwowej temperatur. W zasobniku warstwowym woda podgrzana w zewnętrznym wymienniku ciepła doprowadzana jest do zasobnika i kierowana do odpowiedniego poziomu temperaturowego  zimna na dół, ciepła do góry). Dzięki temu możliwe jest szybkie uzyskanie wymaganej temperatury roboczej.

W przypadku zestawów solarnych służących oprócz przygotowywania ciepłej wody użytkowej również wspomaganiu ogrzewania układy są trochę bardziej rozbudowane. Mogą zostać wykonane jako dwu- lub jednozasobnikowe. W standardowych układach z dwoma zasobnikami kolektory słoneczne zasilają zasobnik c.w.u. oraz bufor ciepła, a w przypadku zasobnika kombinowanego ogrzewają wodę kotłową zgromadzoną w jego głównej części. Innym rozwiązaniem, wykorzystywanym w większych instalacjach solarnych, jest zastosowanie dużego bufora ciepła, z którego czerpie się energię cieplną do przygotowania c.w.u. i wspomagania ogrzewania.

Wszystkie te sposoby magazynowania energii mają zasadniczą wadę, a mianowicie zastosowane w nich urządzenia cechują stosunkowo duże gabaryty, a materiałem gromadzącym ciepło jest woda, która ma ograniczoną pojemność cieplną. Nie można również do nich doprowadzać energii w sytuacjach skrajnych (gdy zasobniki są „pełne”, a energia słoneczna dostępna). Równocześnie zastosowanie wody jako środka gromadzącego ciepło ma tę zaletę, że jest ona bezpośrednio wykorzystywana do użycia, np. pobierana z zasobnika do kabin prysznicowych, poza tym jest zwykle korzystna cenowo.

Jednak w przypadku żadnego z omówionych powyżej zasobników nie ma możliwości skorelowania w czasie potrzeb energetycznych z dostępnym promieniowaniem słonecznym. Zwykle wtedy, kiedy konieczne jest ogrzewanie pomieszczeń (np. w nocy), promieniowania słonecznego nie ma, a gdy potrzeba dużej ilości ciepłej wody użytkowej, od kilku dni pada deszcz. Z uwagi na ograniczone możliwości magazynowania energii w wodzie, wynoszące ok. 60 kWh/m³, podjęto prace nad wykorzystaniem do magazynowania materiałów o większym potencjale oraz znalezieniem nowych metod.

Latentne zasobniki ciepła (PCM)

Stosując wodę jako materiał gromadzący ciepło, mamy do czynienia z liniową zależnością zgromadzonej energii od temperatury (rys. 2). W standardowym zasobniku c.w.u. do uzyskania wymaganej temperatury wody niezbędne jest doprowadzenie energii cieplnej. Ten sposób magazynowania energii bywa nazywany „czułym”, gdyż zmagazynowane ciepło musi dostosowywać się, a więc „czuć” potrzeby energetyczne (stąd określenie ciepło „czułe” – linia prosta na rys. 2). Oznacza to, że w przypadku zwiększonych potrzeb energetycznych niezbędne jest dostarczenie dużych ilości energii w celu uzyskania wysokiej temperatury zgromadzonej wody.

W wielu krajach prowadzone są badania nad materiałami, które mogą zmagazynować duże ilości energii na znacznie niższym niż tradycyjnie poziomie temperatur. Materiały te, nazywane latentnymi albo PCM (ang. Phase Change Materials), gromadzą energię dzięki przemianom fazowym – zwykle jest to przejście ze stanu stałego w ciekły. Energia topnienia 1 kg lodu (woda w stałym stanie skupienia) jest równoważna energii jej podgrzania do temperatury 80°C. W przypadku materiałów latentnych (linia krzywa na rys. 2) w momencie osiągnięcia temperatury przemiany fazowej następuje zjawisko utrzymywania się stałej temperatury w całym okresie zmiany stanu skupienia, a po stopieniu materiału temperatura zaczyna ponownie rosnąć.

Zaletą materiałów latentnych jest możliwość magazynowania ciepła w bardzo szerokim zakresie temperatur, wynika to z faktu zachodzenia zmiany ich stanu skupienia od temperatur poniżej 0°C do ponad 800°C (rys. 3). Umożliwia to magazynowanie ciepła i „zimna”, a więc wykorzystanie tych materiałów zarówno w procesach grzewczych, jak i na przykład w klimatyzacji pomieszczeń.

System solarnego chłodzenia

Pracę systemu z zasobnikiem latentnym w trakcie solarnego chłodzenia przedstawiono na rys. 4. Kolektory słoneczne ogrzewają medium robocze do temperatury  90°C, a do ich obwodu wpięty jest równolegle standardowy zasobnik ciepłej wody użytkowej (HT), który umożliwia uzupełnienie energii w przypadku zachmurzenia.

Absorpcyjny agregat chłodniczy (AKM) wykorzystuje doprowadzoną energię słoneczną jako napęd do wytworzenia wody chłodzącej o temperaturze 15°C w układzie klimatyzacji budynku (B). Aby proces ten się powiódł, niezbędne jest odprowadzenie do otoczenia ciepła wylotowego o temperaturze 40°C z urządzenia chłodniczego poprzez zewnętrzną suchą chłodnicę (RK). W celu uzyskania wymaganej temperatury cieczy chłodzącej w wysokości 32°C, również gdy występują wysokie temperatury otoczenia i niemożliwe jest bezpośrednie jej uzyskanie przez chłodnicę, do obwodu wpięty zostaje szeregowo zasobnik PCM magazynujący latentnie powstały nadmiar energii.

Poziom temperatury w obwodzie ciepła wylotowego z AKM ustalany jest zależnie od temperatury, w której zachodzi przemiana fazowa materiału PCM. Efekt magazynowania energii polega na jej wchłanianiu lub wydalaniu w trakcie procesu przemiany. Dzięki temu możliwa jest eksploatacja urządzenia chłodniczego przy niższym poziomie temperatur niż w układzie mającym jedynie chłodnicę. W efekcie również kolektory słoneczne mogą pracować na niższym poziomie wymaganych temperatur, co pozwala na poprawę ich sprawności oraz redukcję liczby.

System chłodzenia z nocną regeneracją zasobnika

Energia, którą zgromadził zasobnik PCM w trakcie pracy systemu w ciągu dnia przy schładzaniu obiegu wylotowego z agregatu chłodzącego, jest w nocy oddawana do otoczenia przez suchą chłodnicę (RK) (rys. 5). Dzięki niskim temperaturom w nocy możliwe jest efektywniejsze schłodzenie obwodu wylotowego. Umożliwia to jednoczesne oszczędności, gdyż o tej porze obowiązuje niższa taryfa energii elektrycznej. Dzięki temu, że proces ten może trwać dłużej niż okres ładowania zasobnika PCM w ciągu dnia, możliwe jest zastosowanie niższych mocy rozładowania zasobnika.

System solarnego wspomagania ogrzewania

Tam, gdzie występuje sezonowość okresu grzewczego, możliwe jest wykorzystanie zasobnika PCM oraz energii słonecznej do napędu sorpcyjnego agregatu chłodniczego oraz do wspomagania ogrzewania (rys. 6). Z uwagi na temperatury przemiany fazowej materiału PCM, który wykorzystywany jest do schładzania obiegu wylotowego z agregatu chłodzącego (30 do 40°C), skompletowanie układu wspomagania ogrzewania budynku możliwe jest jedynie w takim systemie, który zapewni uzyskanie jeszcze niższej temperatury na powrocie z instalacji grzewczej.

Jest to wykonalne jedynie w niskotemperaturowych obiegach grzewczych. W przypadku tego systemu dzięki niskim temperaturom gromadzenia ciepła możliwa jest też praca kolektorów słonecznych w niskim zakresie temperatur niezależnie od stanu załadowania zasobnika PCM. Uzyskuje się więc większą sprawność kolektorów, a co za tym idzie zwiększenie ich uzysku energetycznego.

Termochemiczne zasobniki ciepła

Ograniczone pojemności cieplne zasobników PCM przyczyniły się do rozpoczęcia prac nad zasobnikami termochemicznymi, w których gromadzone mogą być nieporównywalnie większe ilości energii. O ile zasobniki PCM umożliwiają podwojenie pojemności cieplnej w stosunku do wody, to zasobniki termochemiczne wykorzystujące procesy sorpcji wartość tę znacznie przekraczają. W tym rozwiązaniu wykorzystuje się reakcje odwracalne zachodzące w zakresie stosunkowo niskich temperatur, np. procesy sorpcji (rys. 7).

Zasobnik jest ładowany poprzez doprowadzenie ciepła, co prowadzi do odprowadzenia wilgoci (na przykład wody) z materiału sorpcyjnego. Podczas procesu odwrotnego, a mianowicie nawilżania materiału sorpcyjnego, uwalniane jest ciepło, dlatego mechanizm ten często nazywany jest „chemiczną pompą ciepła”.

Instalacja z zasobnikami sorpcyjnymi została zastosowana m.in. w niskoenergetycznym budynku jednorodzinnym w Austrii. Przygotowanie ciepłej wody użytkowej, ogrzewanie budynku oraz wewnętrzna wentylacja i klimatyzacja wspomagane są zestawem płaskich kolektorów słonecznych (o łącznej powierzchni 32 m²) i 2 zasobnikami sorpcyjnymi wypełnionymi silica gelem w łącznej ilości 1000 kg (fot. 1). Pojemność bufora ciepła wynosi w tym wypadku 900 l.

Podsumowanie

Kolektory słoneczne w standardowych instalacjach solarnych nie są w pełni wykorzystywane, a pozyskiwana przez nie energia jest często marnotrawiona. Jedynie system umożliwiający efektywne przekazanie każdej pozyskanej jednostki energii do celów użytkowych uznać można za użyteczny. Przedstawione powyżej rozwiązania zmierzają do realizacji tego celu.

Literatura

1. Jagnow K., Wolff D., Der Energieberater, VDW, Köln 2009.
2. Zawadzki M., Kolektory słoneczne, pompy ciepła – na tak, Polska Ekologia, 2003.
3. Remmers, Solare Heizungsunterstützung.
4. www.solarthermie2000.de.5
5. BINE, „Themeninfo” nr 1/2009.
6. www.ZAE-Bayern.de.
7. www.itw.uni-stuttgart.de.
8. www.ecn.nl/egon.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!