Słońce od zawsze było podstawowym źródłem energii i to, jak łatwo wytłumaczyć, każdego rodzaju. Węgiel to przecież prapradawne wielkie skrzypy i drzewa, ropa naftowa, według jednej z dwóch teorii, przetworzone szczątki roślinne i zwierzęce.
Wszystko to zaś powstaje dzięki Słońcu. Dziś, po okresie rabunkowej gospodarki zasobami energetycznymi, zaczynamy zauważać Słońce jako alternatywne źródło energii niemal bezpośredniej. Niemal, bo przecież tę energię, czyli cały zakres promieniowania, trzeba przetworzyć do postaci technologicznie przydatnej. Stąd sporo urządzeń służących temu celowi: od prostych kolektorów do fotoogniw. Wysiłki konstruktorów tych urządzeń idą w kilku podstawowych kierunkach:
- Skrócenie drogi od promienia słońca do wykorzystania jego energii.
- Ograniczenie strat przetwarzania i przekazu energii – dążenie do wyższej sprawności.
- Lepsza kompensacja zmienności sezonowej i dobowej kąta oświetlenia.
- Dostosowanie do sezonów: zima-lato.
Dla lepszego zrozumienia istoty problematyki zajmiemy się na razie takim najstarszym i najprostszym systemem, wykonanym dość dawno, nieco przypadkowo, przez niewielki zakład instancji sanitarnych wod-kan i c.o., na Kielecczyźnie. Podczas zakładania instalacji zauważono, że na skutek dziwnych kolei losu, dach domostwa ma w pewnym miejscu wnękę, osłoniętą przed wiatrem i tam, według słów gospodarza, zawsze było w lecie gorąco. Ponieważ zaistniała nadwyżka w liczbie paneli, czyli płaskich grzejników do centralnego ogrzewania, zdecydowano się na eksperyment (lata 1982-1983) i wykonano, jako jedną z pierwszych w Polsce – instalację słonecznego ogrzewania ciepłej wody użytkowej.
Dwa panele o wymiarach 0,6X2 m osadzono w drewnianej skrzynce, na podłożu z materaców z wełny mineralnej, i zakryto trzema szybami. Same panele zostały pomalowane czarną matową farbą. Na strychu umieszczono zbiornik ciepłej wody, wykonany z niepotrzebnego zbiornika hydroforowego o pojemności 300 l. Zbiornik był zabudowany w drewnianej skrzyni i izolowany cieplnie grubą na 30 cm warstwą trocin. Obieg wody zapewniała mała pompka cyrkulacyjna. Woda ze zbiornika była podawana do tzw. pojemnościowego ogrzewacza ciepłej wody, dla stabilizacji temperatury, ponieważ jego termostat wyłączał zasilanie elektryczne po osiągnięciu temperatury 55°C. Schemat całej tej bardzo prostej instalacji ilustruje (1). Oczywiste jest, że u nas nie zawsze jest słońce, ale nawet, jak się później okazało, kiepskie, październikowe słońce też jest w stanie podgrzać wodę do temperatury rzędu 30-40°C, a to oznaczało, że elektryczny podgrzewacz pracował w mniejszym zakresie temperatur. Instalacja sprawdziła się znakomicie i dała spore oszczędności w zużyciu energii elektrycznej. Stopień pokrycia zapotrzebowania energii dla ciepłej wody użytkowej ilustruje (2). Widać, że nie jest tak źle, jak by się wydawało!
Były jednak dwa problemy: pierwszy, nieco zabawny, to „wycieczki” sąsiadów i znajomych, którzy chcieli „to cudo” zobaczyć. Drugi, poważniejszy kłopot, to – co zrobić w zimie? Woda w kolektorze, gdy zamarznie, niestety zniszczy kolektor. Na zimę trzeba było więc spuszczać wodę z instalacji i napełniać ją dopiero na wiosnę. Tak było w pionierskich latach 80. Dziś technika ta znacznie się rozwinęła i mamy już całą gamę różnych, bardzo niekiedy finezyjnych urządzeń.
Jednym z pierwszych ulepszonych urządzeń tego typu były panele płaskie (3).
Były to już dojrzałe technicznie urządzenia, zaopatrzone m.in. w szybę „pryzmatyczną” dającą lepsze rozprowadzenia promieni i rurki miedziane pokryte czarnym chromem lub innymi firmowymi „wynalazkami” mającymi na celu podniesienie absorpcji energii słonecznej.
To oczywiście też nie jest zbyt doskonałe, a ponieważ Ziemia się kręci, w dalszym ciągu pozostał problem odpowiedniego ustawiania panelu w stosunku do kierunku promieni słonecznych. Oczywiście znane były układy automatyki, pozwalające ustawiać kolektor „jak kwiatostan słonecznika”, ale były po prostu za drogie. Żeby tę niedogodność zmniejszyć, wymyślono układy rurowe z lustrami parabolicznymi (4), które pozwalają w znacznym stopniu złagodzić straty wynikające z obiegu Ziemi dookoła Słońca i dokoła własnej osi.
Działanie luster parabolicznych jest od dawna znane; dzięki właściwościom paraboli, pozwalają w dużym stopniu wyrównać wahania napromieniowania rur w różnych porach dnia. Mimo tych pomysłów trudno było nadal uzyskać jakieś „konkretne” wartości temperatur. I tu wkroczyły rury cieplne, opisywane kiedyś w JTD (listopad 2007 r.)
Ich główną cechą jest błyskawiczny transport ciepła, ponad 500 razy przewyższający szybkość przewodzenia ciepła w miedzi, srebrze i aluminium. Oznacza to, że każda ilość ciepła uzyskana z promieni słonecznych może być błyskawicznie przekazana do kolektora odbiorczego. Dzięki użyciu odpowiedniego medium transportującego temperatura punktu odbioru ciepła może być wyższa od temperatury „podawania” i może dochodzić do 100°C, a w wykonaniach specjalnych nawet wyżej. Ogólny szkic takiej pojedynczej jednostki przedstawia (5).
Rura miedziana jest umieszczona wewnątrz rury próżniowej, zapewniającej niemal doskonałą izolację cieplną. W tej rurze znajduje się czynnik roboczy, który paruje pod wpływem ciepła, pobierając ciepło parowania, a skrapla się w kondensatorze, oddając ciepło. Dzięki temu właśnie możliwy jest tak szybki transport ciepła. Zespół takich jednostek przedstawia (6).
Oczywiście wszystko to wygląda prosto, ale jak wiadomo, człowiek potrafi wszystko skomplikować! Dokładna analiza wykazała, że np. kolektory płaskie są lepsze w lecie, a próżniowe mają lepszy tzw. uzysk z całoroczny. Kolektory próżniowe są odporne na śnieg i nie wymagają usuwania śniegu dla uzyskania dostępu do słońca. Lepiej też pracują na pionowych ścianach budynków. Ostatnio, w związku z potanieniem (a jednak!) elementów automatyki – pojawiają się coraz częściej oferty na kolektory próżniowe, z układem „słonecznikowym”.
Wydaje się, że ta dziedzina jeszcze nie osiągnęła szczytu rozwoju i w najbliższym czasie czeka nas jeszcze wiele nowych koncepcji. Problemem jest w dalszym ciągu zapewnienie oświetlenia rur – teoretycznie – dookoła, co dziś wydaje się niemożliwe, ale kto wie?
Prezes Klubu Wynalazców wierzy głęboko w TRIZ – może pomoże?

Tagi: dach, konstruktor, Słonce, technika, woda, Ziemia, zima