Energetyka słoneczna w Polsce wchodzi w nowy etap rozwoju. Pionierskie dla przemysłu energetyki słonecznej lata 90. zaowocowały powstaniem pierwszych firm produkujących kolektory słoneczne do podgrzewania wody i budową kilku tysięcy metrów kwadratowych powietrznych kolektorów słonecznych dla rolnictwa, ale nie udało się stworzyć ani rynku, ani liczącego się przemysłu w tym zakresie. Wydana w 1992 r., jedna z pierwszych i znanych publikacji z tego zakresu, książka pt. „Kolektory słoneczne – poradnik wykorzystania energii słonecznej”, nagrodzona w 1993 r. przez ministra ds. budownictwa, w znacznej części, wobec braku rynku, przemysłu i sprawdzonych wyrobów, promowała budowę kolektorów słonecznych, głównie sposobem gospodarczym. Wiadomo było, że wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych przynosi wiele korzyści, takich jak: dywersyfikacja zasilania w nośniki energetyczne i polepszenie bezpieczeństwa energetycznego kraju, ochrona środowiska, dzięki zastępowaniu paliw kopalnych, oraz rozwój małych i średnich przedsiębiorstw i tworzenie nowych miejsc pracy. Uwzględniając to, we wrześniu 2000 r., Rząd RP przyjął dokument „Strategia rozwoju energetyki odnawialnej". Wyznaczono w nim ogólny cel ilościowy – 7,5% udziału energii odnawialnej w bilansie energii pierwotnej kraju w 2010 r. oraz odpowiednie cele cząstkowe, w tym zwiększenie w ciągu 10 lat powierzchni zainstalowanej w termicznych kolektorach słonecznych o 700 000 m2. Od kilku lat tempo wzrostu tego sektora jest wysokie i przekracza 20–30% rocznie, i choć łączna powierzchnia zainstalowana kolektorów słonecznych w kraju przekroczyła w końcu 2007 r. 230 000 m2, to wyznaczony w 2010 r. cel ilościowy wydaje się raczej trudny do osiągnięcia. Rządowa strategia ułatwiła wsparcie dla inwestorów w termicznej energetyce słonecznej w postaci dotacji i preferencyjnych pożyczek z krajowych funduszy ekologicznych. Ale inwestorzy w energetyce słonecznej, w przeciwieństwie do rynków końcowych zielonej energii elektrycznej i biopaliw transportowych, nie korzystali ze wsparcia zielonych certyfikatów czy ulg podatkowych na etapie eksploatacji systemów słonecznych. Energetyka słoneczna w znacznym zakresie rozwija się siłami rynkowymi i naturalną potrzebą obywateli i gospodarstw domowych do uniezależniania się od ryzyka coraz to droższych paliw kopalnych oraz coraz większą dbałością instytucji publicznych o ochronę środowiska. Obecnie, inaczej niż na początku lat 90., nie ma już problemu z nabyciem instalacji słonecznej i praktycznie każda poważna firma oferująca systemy grzewcze jest w stanie zainstalować kolektor słoneczny. Wejście Polski do UE otworzyło rynek zarówno dla krajowych eksporterów, jak i importerów, zaś systematyczny wzrost cen paliw i energii, szybki rozwój budownictwa mieszkaniowego i oddawanie do użytku ponad 100 tys. nowych mieszkań rocznie sprzyjały bardziej niż w latach 90. rozwojowi energetyki słonecznej. Polska przejęła europejski system norm, jakości i certyfikacji kolektorów słonecznych. Obecnie aktywnie działa ponad czterdziestu producentów kolektorów słonecznych (krajowych i zagranicznych) i ponad tysiąc współpracujących z nimi firm instalatorskich, a roczne obroty na krajowym rynku energetyki słonecznej przekraczają 150 mln zł. Zadowoleniem napawa fakt, że wraz z rozwojem możliwości produkcji zielonego ciepła z kolektorów słonecznych, rozwinął się krajowy przemysł. Ponieważ w innych sektorach energetyki odnawialnej nie zawsze produkcja i montaż urządzeń nadążają za rynkiem energii, inwestorzy muszą ponosić większe koszty i zazwyczaj mają gorsze warunki dostawy. Nie wydaje się jednak, aby wyniki, jakie dotychczas osiągnął sektor energetyki słonecznej, były w pełni satysfakcjonujące. Pomimo postępu technologicznego i dobrych wyników sprzedaży, produkując ok. 175 TJ zielonego ciepła w ciągu roku, sektor energetyki słonecznej zapewnia jedynie 0,1% całej podaży energii ze źródeł odnawialnych w Polsce, których udział w bilansie zużycia energii w Polsce przekroczył 7%. Istnieje zatem olbrzymi potencjał energetyki słonecznej do zagospodarowania przez krajowych inwestorów. Pojawiają się nowe impulsy dla całej energetyki odnawialnej, w tym w szczególności dla energetyki słonecznej. Przełom lat 2007/2008 to początek szybkiego i niespotykanego dotychczas w Polsce wzrostu cen paliw i energii. W styczniu 2008 r. Komisja Europejska ogłosiła nowy pakiet klimatyczny i projekt nowej dyrektywy o promocji stosowania energii ze źródeł odnawialnych z nowym celem dla Polski – 15% udział energii ze źródeł odnawialnych w bilansie zużycia energii w 2020 r. W pakiecie tym, w odróżnieniu od poprzedniej dyrektywy, rozwój zielonej energii elektrycznej jest równoprawny z rozwojem zielonego ciepła. Przygotowując polską odpowiedź na nowe wyzwanie, Instytut Energetyki Odnawialnej (EC BREC IEO) ocenił, że w 2020 r. energetyka słoneczna powinna dostarczyć 16 000 TJ ciepła w systemach ogrzewania c.w.u. i systemach ogrzewania pomieszczeń (systemów typu „kombi”), przy utrzymaniu 33% średniorocznego tempa wzrostu i osiągnięciu wskaźnika powierzchni zainstalowanej kolektorów słonecznych na poziomie 0,4 m2 na głowę mieszkańca. Na koniec 2007 r. wskaźnik ten wynosił poniżej 0,01. Tak intensywny rozwój rynku powinien prowadzić zarówno do dalszego postępu technologicznego, jak i poprawy efektywności oraz obniżenia kosztów i poprawy konkurencyjności w całym sektorze. Wprowadzanie coraz lepszych technologii energetyki słonecznej będzie szło w parze ze wzrostem zainteresowania osób fizycznych, małych i średnich przedsiębiorstw oraz sektora publicznego do korzystania z czystej, ale również tańszej energii z kolektorów słonecznych. Pełzający wzrost cen energii i paliw w latach 2000–2006, przechodzi właśnie w fazę szybkich wzrostów i epokę drogich konwencjonalnych nośników energii, a energetyka słoneczna staje się w okresie zawirowań cenowych sposobem na obniżenie rachunków za energię elektryczną i gaz. Niniejsza publikacja ma pomóc inwestorowi i potencjalnemu użytkownikowi w doborze elementów wyposażenia instalacji słonecznej, zakupie i jej montażu oraz prawidłowej eksploatacji. Książka może być wykorzystywana także przez inżynierów, projektantów i instalatorów pracujących w przemyśle energetyki słonecznej oraz jako podręcznik uzupełniający na studiach inżynierskich na specjalnościach technika cieplna, odnawialne źródła energii i heliotechnika. Znajomość tej, ciągle jeszcze w Polsce nowej techniki, rozpoznanie własnych potrzeb energetycznych oraz możliwość wyboru dostawcy i typu kolektora umożliwią uniknięcie popełnienia często kosztownych i kłopotliwych błędów. Książka ma też szerszy charakter edukacyjny, a dzięki rozdziałowi poświęconemu budowie kolektorów słonecznych sposobem gospodarczym, może także być też wykorzystana jako pomoc dla szkół zawodowych kształcących techników instalatorów, mechaników i elektryków, a także przez majsterkowiczów i hobbystów zainteresowanych budową i wykonaniem kolektorów słonecznych. W niniejszej pracy rozpatrzono wiele wariantów budowy i zastosowań kolektorów słonecznych. Poza najbardziej popularnymi kolektorami słonecznymi płaskimi i wchodzącymi na rynek kolektorami próżniowymi wykorzystywanymi nie tylko do podgrzewania wody w tradycyjnych domowych systemach ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), ale i w systemach ogrzewania pomieszczeń (c.o.), omówiono także ich zastosowanie w przemyśle przetwórczym oraz zasady ich stosowania w instalacjach wielkowymiarowych, z długookresowym (sezonowym) magazynowaniem ciepła. Dość obszernie omówiono także zasadę budowy i wykorzystania powietrznych kolektorów słonecznych do dogrzewania pomieszczeń i do suszenia. Podano szereg praktycznych wskazówek dla inwestorów i użytkowników instalacji słonecznych, w tym zasady zakupu i oceny jakości urządzeń (badań i certyfikacji) oraz pełnej oceny ekonomicznej. Praca wzbogacona jest opisem przykładowych (modelowych) instalacji zamontowanych w latach 2004–2006. Książka składa się z 10 rozdziałów. W rozdziale 1 przedstawiono wyjściowe parametry meteorologiczne potrzebne do określenia potencjalnej energii użytecznej promieniowania słonecznego w przewidywanym miejscu lokalizacji instalacji słonecznej i przy określonym ustawieniu powierzchni kolektora (-ów). W rozdziale 2 omówiono kolektory słoneczne jako podstawowe elementy instalacji słonecznych. Przedstawiono dane techniczne, wymagania materiałowe, charakterystyki różnych typów kolektorów słonecznych. Mogą one służyć jako dane wyjściowe do projektowania instalacji słonecznych. Będą też bardzo pomocne dla klientów kupujących gotowe kolektory, zwłaszcza do weryfikacji informacji zawartych w ofertach handlowych. W rozdziale tym umieszczono także opisy przykładowych projektów prostych kolektorów słonecznych, szczególnie – zdaniem autorów – odpowiednich do samodzielnego wykonania. W rozdziale 3 omówiono atrakcyjne obszary wykorzystania wodnych kolektorów słonecznych, w budynkach jednorodzinnych i wielorodzinnych, budynkach publicznego użytkowania, hotelach, campingach oraz w basenach, drobnym przemyśle, przetwórstwie rolno-spożywczym, a także przedstawiono rolę, jaką mogą spełnić aktywne systemy słoneczne w ogrzewaniu budynków niskoenergetycznych i pasywnych. W rozdziale 4 przedstawiono praktyczne aspekty budowy i montażu oraz użytkowania instalacji z kolektorami słonecznymi, służącymi do podgrzewania wody, w szczególności indywidualnych instalacji c.w.u. Oprócz integracji kolektorów słonecznych z systemami grzewczymi i budynkami, z uwzględnieniem systemów typu kombi, szczególną uwagę zwrócono na kwestię magazynowania ciepła oraz na specyfikę instalacji wielkowymiarowych. W rozdziale 5 omówiono podstawy budowy i wykorzystania powietrznych kolektorów słonecznych wraz z możliwością ich budowy metodą gospodarczą. W rozdziale 6 omówiono praktyczne zasady, jakimi trzeba się kierować przy zakupie kolektorów słonecznych oraz podstawowe przepisy prawne dotyczące bezpieczeństwa budowy i eksploatacji kolektorów słonecznych. W celu lepszego poruszania się po rynku urządzeń, producentów i dostawców dość szczegółowo omówiono sytuacje na rynku kolektorów słonecznych. Rozdział 7 poświęcony jest certyfikacji kolektorów słonecznych i daje podstawę do porównań jakościowych wyrobów. Rozdział 8 dotyczy efektywności ekonomicznej kolektorów słonecznych. Przedstawiono uniwersalną i porównawczą metodę oceny ekonomicznej instalacji, trendy i prognozy cenowe na nośników energii i sposoby ich uwzględnienia w rachunku ekonomicznym, a w rozdziale 9 podano praktyczne informacje o zasadach dofinansowania zakupu kolektorów słonecznych. Rozdział 10 zawiera 7 przykładów zrealizowanych instalacji słonecznych z wykorzystaniem różnych typów kolektorów słonecznych o różnej wielkości i przeznaczeniu, które mogą służyć jako punkty odniesienia do planowania nowych inwestycji. Opisy w części monitorowanych instalacji, wybrane spośród nadesłanych przez instalatorów w odpowiedzi na ankietę autorów książki, pozwalają na odniesienie zasad projektowania (np. proporcje wielkości komponentów instalacji) omówionych w książce, do rzeczywistych warunków realizacji inwestycji. Spis treści Wprowadzenie 7 1. Promieniowanie słoneczne. Zasoby energii słonecznej w Polsce 1.1. Parametry i składowe promieniowania słonecznego 11 1.2. Rejonizacja zasobów energii słonecznej w Polsce na potrzeby instalowania kolektorów słonecznych 16 1.3. Optymalny kąt nachylenia kolektora słonecznego do poziomu 19 1.4. Wartości natężenia promieniowania słonecznego oraz liczby godzin słonecznych w Polsce niezbędne do wstępnych obliczeń kolektorów słonecznych 20 2. Zasada działania, budowa, materiały oraz parametry techniczne kolektorów słonecznych 2.1. Zasady konwersji fototermicznej a budowa kolektora słonecznego 23 2.2. Materiały na kolektory słoneczne 25 2.3. Kolektory słoneczne do podgrzewania wody 30 2.3.1. Kolektory słoneczne z płaskimi absorberami 30 2.3.2. Kolektory słoneczne z absorberami w postaci rur próżniowych 32 2.4. Kolektory słoneczne do podgrzewania powietrza 35 2.5. Parametry techniczne i eksploatacyjne 37 2.6. Krótki przegląd konstrukcji kolektorów słonecznych wytwarzanych sposobem gospodarczym 45 2.6.1. Samodzielna budowa kolektora słonecznego z rur miedzianych do podgrzewania wody 45 2.6.2. Zbiornik wodny jako prosty kolektor energii słonecznej współpracujący z domową termą c.w.u. 52 2.6.3. Rurowy kolektor słoneczny nadciśnieniowy do podgrzewania powietrza 54 2.6.4. Ścienny kolektor powietrzny do dogrzewania mieszkań, hal i magazynów 55 3. Instalacja kolektorów słonecznych w poszczególnych zastosowaniach 3.1. Możliwości instalowania kolektorów słonecznych do podgrzewania ciepłej wody użytkowej 59 3.1.1. Budynki jednorodzinne i wielorodzinne 59 3.1.2. Budynki użytkowania publicznego 64 3.1.3. Hotele, campingi 65 3.2. Inne zastosowania 67 3.2.1. Baseny 67 3.2.2. Drobny przemysł i przetwórstwo rolno-spożywcze 72 3.2.3. Ogrzewanie budynków niskoenergetycznych i pasywnych 74 4. Budowa, obliczanie i dobór instalacji użytkowych – instalacje do podgrzewania wody 4.1. Właściwości czynników roboczych w instalacjach użytkowych z kolektorami słonecznymi 79 4.2. Instalacje do podgrzewania wody 83 4.2.1. Systemy i układy do wykorzystania ciepłej wody z kolektorów słonecznych 83 4.2.2. Elementy instalacji użytkowych 85 4.2.3. Dobór i obliczanie kolektorów 95 4.3. Instalacje typu KOMBI do przygotowania c.w.u. i ogrzewania pomieszczeń 100 4.4. Instalacje wielkowymiarowe kolektorów słonecznych 103 4.4.1. Ogólna charakterystyka instalacji wielkowymiarowych i ich specyficzne wymagania 103 4.4.2. Elementy wielkowymiarowych instalacji słonecznych 106 5. Instalacje do podgrzewania powietrza 5.1. Zastosowanie powietrznych kolektorów słonecznych 119 5.2. Systemy i instalacje użytkowe z kolektorami słonecznymi do podgrzewania powietrza 121 5.3. Elementy instalacji użytkowych powietrznych kolektorów słonecznych 122 5.4. Praktyczne uwagi o lokalizacji, wykonaniu i instalowaniu powietrznych systemów słonecznych 133 6. Zakup, instalacja i eksploatacja kolektorów słonecznych 6.1. Organizacja rynku kolektorów słonecznych 137 6.2. Warunki zakupu kolektorów słonecznych i instalacji słonecznych 141 6.3 Wytyczne do prawidłowej eksploatacji systemów i poprawności działania instalacji 143 6.4. Bezpieczeństwo budowy i eksploatacji kolektorów słonecznych 145 7. Certyfikacja i badania kolektorów słonecznych 7.1. Formalno-prawne podstawy oceny wyrobów w UE 151 7.2. Certyfikacja obowiązkowa 152 7.3. Certyfikacja dobrowolna 153 7.4. Normy europejskie dotyczące kolektorów i instalacji słonecznych 155 7.5. Inne certyfikaty spotykane w Polsce 156 7.6. Badania kolektorów słonecznych 158 7.6.1. Charakterystyka cieplna 158 7.6.2. Badania trwałościowe 161 7.6.3. Możliwości badań i certyfikacji kolektorów słonecznych w Polsce 163 8. Ekonomika wykorzystania kolektorów słonecznych 8.1. Efektywność ekonomiczna budowy kolektorów słonecznych 165 8.2. Opłacalność zakupu instalacji kolektorów słonecznych do podgrzewania c.w.u. w domu jednorodzinnym 170 9. Możliwości wsparcia finansowego inwestorów budujących instalacje słoneczne 175 10. Przykłady instalacji z kolektorami słonecznymi 181 Bibliografia 199
