WYKORZYSTANIE ENERGII PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO

A MAGAZYNOWANIE CIEPŁA

Autor: Joanna Rudniak, Robert Sekret

("Rynek Energii" - grudzień 2015)

Słowa kluczowe: układ skojarzony, promieniowanie słoneczne, magazynowanie ciepła

Streszczenie. W artykule zamieszczono charakterystykę pracy układu skojarzonego złożonego z kolektorów

słonecznych i kotłów na biomasę, jak również ilości pozyskanego w nim ciepła, która w porównaniu z potencja-

łem technicznym promieniowania słonecznego, szczególnie dla okresu letniego, jest znacznie zaniżona. Dla

poprawy jakości pracy układu konieczne jest zintensyfikowanie odbioru ciepła w lecie przez długoterminowe

magazynowanie ciepła. Przedstawiono różne sposoby akumulacji ciepła, w tym metody o zwiększonej gęstości

energii np. termochemiczne magazynowanie. Zwrócono uwagę na ich wysokie koszty oraz potrzebę poszerzenia

badań umożliwiających ich zastosowanie w funkcjonujących systemach.

1. WPROWADZENIE

Wraz z racjonalnym gospodarowaniem energią oraz ograniczaniem jej zużycia, jak również

zmianami w przyzwyczajeniach konsumentów, obecnie coraz bardziej istotną staje się po-

trzeba stosowania akumulacji dla podnoszenia efektywności systemów zaopatrzenia budyn-

ków w ciepło. Największe zainteresowanie w tym zakresie związane jest z magazynowaniem

ciepła, chłodu oraz energii elektrycznej [12]. Zagadnienie to jest tym bardziej znaczące, kiedy

w systemach uwzględniane są nośniki energii pierwotnej odnawialnej, współpracujące w

układach skojarzonych lub zastępujące źródła konwencjonalne.

Dla wykorzystania energii promieniowania słonecznego, znaczenie magazynowania jest jesz-

cze większe, gdyż pozyskiwanie jej odbywa się najczęściej w sposób okresowy, dodatkowo

rozbieżny z zapotrzebowaniem oraz dotyczy zarówno cyklu dobowego jak i sezonowego.

Konieczność ta spowodowana jest również długoterminowym zagospodarowaniem nadwyżek

wytwarzanego ciepła zwłaszcza latem i przenoszeniem go na okres mniej korzystnych warun-

ków temperaturowych. Magazynowanie ciepła w okresach szczytu natężenia strumienia ener-

gii pierwotnej odnawialnej, jak również stosowanie coraz częściej układów hybrydowych,

daje możliwość podwyższenia efektywności energetycznej tego typu systemów [4,12]. Jedno-

cześnie należy zwrócić uwagę na to, że problematyka wykorzystania energii promieniowania

słonecznego obecnie nie dotyczy tylko jednorodzinnych budynków mieszkalnych, ale także,

w coraz większej mierze, średniej skali instalacji stosowanych przykładowo dla wspólnot

mieszkaniowych, obiektów edukacyjnych, szpitalnych, użyteczności publicznej oraz lokal-

nych systemów ciepłowniczych, a w przyszłości możliwe że również ciepłownictwa syste-

mowego.

Dlatego też, dla optymalizacji wytwarzania oraz dystrybucji ciepła w systemach zaopatrzenia

budynków w energię, magazyny stają się nie tylko dodatkowymi istotnymi elementami, ale

coraz bardziej koniecznymi ich częściami składowymi. Zwykle są realizowane jako zbiorniki

buforowe, zasobniki gromadzące ogrzany czynnik roboczy, izolowane dla ograniczania strat

ciepła do otoczenia.

Modernizowanie istniejących źródeł ciepła, jak również wprowadzanie nowych rozwiązań

wykorzystujących OZE oraz magazynowanie ciepła w systemach ciepłowniczych stwarza

możliwość dostosowania ich do zmieniających się wymogów rynku ciepła [17].

2. CHARAKTERYSTYKA ANALIZOWANEGO OBIEKTU

Przykładem zastosowania OZE do pozyskiwania ciepła jest układ skojarzony wykorzystujący

promieniowanie słoneczne oraz biomasę [13]. Zasadniczymi elementami wyposażenia są

bezobsługowe kotły na biomasę w postaci peletów, kolektory słoneczne oraz zespół zbiorni-

ków buforowych, przedstawiony na rysunku 1.

Rys.1. Schemat układu przetwarzania energii promieniowania słonecznego oraz

biomasy na ciepło do ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej

Zastosowane w układzie kolektory słoneczne próżniowo-rurowe z serii CPC Star Azzurro o

powierzchni 63m2, dają możliwość osiągnięcia wysokiego stopnia sprawności przetworzenia

energii promieniowania słonecznego w ciepło dzięki wysokoselektywnej powłoce absorbera,

mniejszej wrażliwości na temperaturę zewnętrzną i niższym stratom ciepła do otoczenia. Wy-

posażenie kolektorów w zwierciadła paraboliczne CPC wspomaga uzyskiwanie również pro-

mieniowania rozproszonego. Geometria ich gwarantuje pozyskiwanie promieniowania sło-

necznego z szerokiego zakresu kątów padania w stosunku do powierzchni kolektora [8]. Po-

zwala to efektywniej wykorzystać kolektory próżniowe również w sezonach przejściowych

oraz zimą. Moc układu wynosi łącznie 350kW, a ciepło zużywane jest na ciepłą wodę użyt-

kową oraz centralne ogrzewanie, głównie w okresie sezonu grzewczego. Dodatkowym wypo-

sażeniem instalacji są ultradźwiękowe przetworniki przepływu, dla ciągłego monitorowania

działania i współpracy kotłów oraz kolektorów słonecznych, dostarczające danych

o ilości pozyskanego ciepła; miejsca ich lokalizacji zaznaczono na rysunku 1. Odczyty dają

również możliwość określenia ilości ciepła uzyskanego z promieniowania słonecznego, w

zestawieniu z ogólną ilością wytwarzanego ciepła dla poszczególnych dni, miesięcy i lat [13].

3. WARUNKI PRACY ŹRÓDŁA ENERGII

W sezonie grzewczym, w układzie dominujące są ilości ciepła pozyskiwanego z biomasy, co

przedstawia rysunek 2. Równocześnie jednak ciepło dostarczone przez kolektory, mimo że

pochodzi głównie z rozproszonego promieniowania słonecznego, stanowi znaczący udział w

wytwarzaniu ciepła.

Rys.2. Przykładowe ilości ciepła uzyskiwane w układzie

Znaczne ilości ciepła uzyskiwane z kolektorów słonecznych w początkowym oraz końcowym

okresie sezonu grzewczego wskazują na całkowite jego wykorzystane w układzie. Potwierdza

to, iż wzrost efektywności pracy kolektorów słonecznych w instalacji uwarunkowany jest

zagospodarowaniem pozyskanego ciepła. Zdecydowanie inaczej przedstawia się charakter

odbioru ciepła z kolektorów w pozostałym okresie roku, gdy nie pracują już kotły na biomasę,

uzyskiwanie ciepła staje się wtedy minimalne z powodu obniżonego zapotrzebowania oraz

znikomego odbioru. Porównanie sumarycznych wartości dla miesięcy typowo letnich wska-

zuje, iż wykorzystanie energii promieniowania słonecznego jest wtedy zdecydowanie niższe,

niż wynika z dostępnego zasobu dla regionu. Również wysokie temperatury zanotowane

w układzie dla lata, przedstawione na rysunku 3., potwierdzają znaczny potencjał promienio-

wania słonecznego możliwy do pozyskania. Wskazuje to wyraźnie na konieczność magazy-

nowania ciepła w okresie od kwietnia do września, i wykorzystania go od października do

marca.

Rys.3. Przebiegi zmian temperatur w układzie: kolektory słoneczne – kolor jasny,

kotły na biomasę – kolor ciemny

Bazą dla określenia jakości pracy układu jest odniesienie danych z monitoringu do potencjału

technicznego określonego dla województwa śląskiego przedstawionego na rysunku 4. [3].

Potencjał techniczny wykorzystania energii promieniowania słonecznego został wyznaczony

przy założeniach, że średnioroczny kąt padania promieni słonecznych wynosi 35,

a stały kąt nachylenia płaszczyzny odbiornika to 43. Średnioroczna sprawność konwersji

energii promieniowania słonecznego na ciepło założona została jako 55% [3].

Rys.4. Potencjał techniczny energii promieniowania

słonecznego dla województwa śląskiego [3]

\Odnotowane w układzie, na przestrzeni kilku lat, ilości ciepła uzyskanego w poszczególnych

miesiącach z promieniowania słonecznego dokładniej przedstawione zostały na rysunku 5.

Rys.5. Przykładowe ilości ciepła uzyskiwane z promieniowania słonecznego w układzie

Dla potrzeb porównania pozyskane dla województwa śląskiego wartości, z rysunku 4. zostały

przeliczone dla 63m2 odpowiadających powierzchni kolektorów, natomiast wielkości dla

układu, z rysunku 5., uśredniono z danych dla kolejnych trzech lat monitoringu. Zestawienie

przedstawia rysunek 6.

Rys.6. Uśrednione ilości ciepła uzyskane z promieniowania słonecznego,

odniesione do potencjału technicznego oraz stopień wykorzystania

Analizą objęty został tzw. „okres letni”, który dla potrzeb tego porównania określono jako

przedział roku mieszczący w swym zakresie dodatkowo jeszcze okres przejściowy, czyli od

kwietnia do września, kiedy w układzie nie funkcjonują już w pełnym obciążeniu kotły na

biomasę, a dostarczanie ciepła do systemu odbywa się wyłącznie poprzez pracę kolektorów

rurowo-próżniowych. Można stwierdzać, iż ilość energii promieniowania słonecznego w

układzie, w odniesieniu do tego okresu, a co za tym idzie i wydajność instalacji, są zdecydo-

wanie niższe od zakładanych. Procentowy stopień wykorzystania dostępnego w tym rejonie

technicznego potencjału promieniowania słonecznego został przedstawiony na rysunku 6. Na

stan ten, w warunkach eksploatacji, wpływa szereg oczywistych zmiennych jak np. nasło-

necznienie, różnica temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej, sprawność optyczna,

straty ciepła itp. Jednak rozbieżności te należy przypisać przede wszystkim znacznie zmniej-

szonemu zapotrzebowaniu na ciepło w instalacji.

Praca instalacji z minimalnymi odbiorami ciepła skutkuje również wprowadzaniem układu w

stany przegrzewania i stagnacji. Wtedy pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego

przez kolektory znacząco spada z powodu zintensyfikowanych strat ciepła. Przy dłuższym

okresie, czy też wzmożonej częstości występowania takiego stanu może mieć to negatywny

wpływ na jakość cieczy roboczej kolektora, jak również na poszczególne elementy wchodzą-

ce w skład całej instalacji. Dlatego też dla optymalizacji przetwarzania ciepła w układzie

niezmiernie istotnymi elementami wyposażenia instalacji są zasobniki, magazyny ciepła. W

analizowanej instalacji umieszczone są zasobniki gromadzące ogrzany czynnik roboczy, izo-

lowane dla ograniczania strat ciepła do otoczenia, widoczne na rysunku 1. Obecnie uzupeł-

nieniem układu kotłowego jest zespół zbiorników buforowych o łącznej poj. 4000dm3, za-

pewniający utrzymanie ustalonej temperatury czynnika grzewczego w instalacji. Zastosowa-

nie zbiorników w instalacji podnosi jej bezwładność, stabilizuje warunki pracy kotła oraz

ogranicza ilość uruchomień i zatrzymań, co w praktyce daje oszczędności paliwa, traconego

na ponowne wygrzanie samego kotła. W części solarnej do magazynowania ogrzanej wody

zastosowane są zbiorniki warstwowe buforowego poj. 1000dm3 oraz 3600dm

3, połączone

szeregowo, a także zbiornik warstwowy o poj. 300dm3

do autonomicznego przygotowania

ciepłej wody użytkowej. Jednak taki sposób gromadzenia ciepła realizuje jedynie potrzeby

krótkoterminowego magazynowania ciepła w układzie.

Funkcjonowanie systemu daje niewątpliwe korzyści zaopatrzenia w ciepło obiektu w okresie

niskich temperatur zewnętrznych sezonu grzewczego. Jednak ze względu na całoroczną jego

pracę, zwracając uwagę głównie na sezon letni występuje konieczność zagospodarowania

wytarzanego przez układ ciepła. Stąd dla poprawy wykorzystania ciepła pozyskiwanego

z kolektorów słonecznych, umożliwiającego zagospodarowanie letnich nadwyżek w okresie

zimowym, niezbędne jest wprowadzenie dodatkowego wyposażenia systemu w element gwa-

rantujący ciągły odbiór ciepła z jednoczesnym jego magazynowaniem. Szczególnie korzyst-

nym byłoby wprowadzenie rozwiązania pozwalającego na długoterminowe akumulowanie

ciepła, aby wykorzystać je w sezonie grzewczym, wspomagając w większym stopniu prze-

twarzanie energii na potrzeby cieplne obiektu.

4. MOŻLIWOŚCI MAGAZYNOWANIA CIEPŁA

Obecnie standardowymi elementami wyposażenia, w podobnych jak przykładowa instala-

cjach, są różnego typu izolowane zasobniki ciepła pozwalające jedynie na krótkookresowe

jego zmagazynowanie, niwelując w ten sposób rozbieżności pomiędzy korzystnymi warun-

kami promieniowania, a przesuniętym w czasie zapotrzebowaniem na ciepło. Izolacja

w niewielkim zakresie ogranicza stopniowe wychładzanie czynnika powodowane stratami

ciepła do otoczenia. Wychładzanie czynnika w zasobniku jest proporcjonalne do czasu jego

magazynowania, co nie rozwiązuje problemu sezonowości magazynowania ciepła. Dotyczy to

zarówno cyklu dobowego jak i sezonowego, gdzie konieczne jest zagospodarowanie nadwy-

żek wytwarzanego ciepła w czasie dnia lub latem i przenoszeniem go na okres mniej korzyst-

nych warunków temperaturowych, dla wspomagania systemów grzewczych oraz wytwarzania

ciepłej wody użytkowej.

Rozpatrując racjonalne wykorzystanie dostępnych zasobów energii promieniowania słonecz-

nego brane są pod uwagę różne sposoby przekazywania i magazynowania, jak również nie-

jednakowa praktyczna ich przydatność.

Na potrzebę magazynowania wpływają [4,5,12]: zmienne w czasie zapotrzebowanie, okreso-

wość dostarczania ciepła z kolektorów oraz konieczność efektywnego przetwarzania i wyko-

rzystania układu. Przy problemie wyboru sposobu magazynowania ciepła, koniecznym jest

również określenie kryteriów doboru odpowiedniego układu, czy substancji, spełniającej to

zadanie.

Zasadnicze parametry opisujące magazyn to [4,5,7,12]: zasób ciepła możliwy do zmagazy-

nowania w jednostce objętości lub masy; liczba cykli ładowania i rozładowania magazynu

możliwa do zrealizowania; sprawność cyklu określona jako stosunek ciepła odebranego z

układu do ciepła do niego doprowadzonego, czas, w którym zmagazynowane ciepło może być

przekazane do użytkownika, czas, w którym może być magazynowane, temperatura w jakiej

układ, czy sposób magazynowania może funkcjonować, wpływ jednostki magazynującej na

środowisko naturalne, koszty całkowite i koszty eksploatacji; warunki bezpieczeństwa pracy.

Wśród klasyfikacji metod magazynowania ciepła można wyróżnić wiele podziałów. W odnie-

sieniu do zakresów temperatur występuje magazynowanie [5]: niskotemperaturowe (do

120C), średniotemperaturowe (120C500C), wysokotemperaturowe (powyżej 500C).

Magazynowanie ciepła zasadniczo można rozdzielić na bezpośrednie oraz pośrednie. Bezpo-

średnie rozumiane jest poprzez wykorzystanie ciepła właściwego, a także ciepła utajonego,

przy którym zastosowanie mają materiały zmiennofazowe (PCM) [1,4,12]. Pośrednie metody

obejmują wykorzystanie ciepła przemian chemicznych, wśród nich na uwagę zasługują sorp-

cja oraz odwracalne reakcje chemiczne [5,14]. Jednym jednak z ważniejszych rozróżnień pod

względem użyteczności jest rozdzielenie metod na długoterminowe i krótkoterminowe. Dłu-

goterminowymi magazynami ciepła mogą być zasobniki wielkopojemnościowe lub z wyko-

rzystaniem ciepła utajonego, czy też substancji chemicznych [4,7,12].

Wykorzystanie ciepła właściwego do magazynowania jest jednym z prostszych sposobów w

którym ilość magazynowanego ciepła jest proporcjonalna do przyrostu temperatury. Ciepło

może być magazynowane w cieczach oraz ciałach stałych. Ciecz zastosowana jako czynnik

magazynujący, może być równocześnie nośnikiem energii między zbiornikiem, a źródłem

ciepła. Złoża naturalnie, grunt, o dużej objętości mogą też być używane jako magazyny dłu-

goterminowe. Jednak zasadniczą wadą metody wykorzystywania ciepła właściwego jest to, że

przyrost ilości energii magazynowanej wymaga praktycznie liniowego wzrostu temperatury

złoża, co powiększa straty do otoczenia, a w przypadku stałości temperatury po stronie źródła

zmniejsza intensywność wymiany ciepła i powoduje wydłużenie czasu ładowania układu.

Należy również uwzględnić straty występujące w kolejnych cyklach ładowania i rozładowa-

nia [4,5,14].

Podczas przemian fazowych mogą być pobrane lub wydzielone znaczne ilości ciepła, prak-

tycznie przy niewielkich zmianach temperatury materiału. Zaletami układów tego typu są

[4,5,14]: duża pojemność cieplna odniesiona do jednostki masy, niemal stała temperatura w

jakiej oddają i pobierają ciepło, możliwość doboru temperatury przemiany do warunków pra-

cy źródła. Istotnym jednak problemem tego sposobu magazynowania ciepła jest uzyskanie

stabilności w odniesieniu do właściwości cieplnych w kolejnych cyklach ładowania i rozła-

dowania. Wiele materiałów ulega dekompozycji i po kilkudziesięciu cyklach ich pojemność,

może zmaleć nawet o połowę względem pojemności początkowej. W materiałach mogą wy-

stępować również strefy przegrzania i przechłodzenia, co wymaga dla każdego z nich dedy-

kowanych dodatków stabilizujących. Innymi trudnościami mogą być zmiany objętości mate-

riałów w procesie przemiany fazowej, problemy z korozją, wymagania odnośnie specjalnych

konstrukcji wymienników, konieczność izolowania materiału od wody, czy powietrza. Jednak

pomimo tego wykorzystanie materiałów zmiennofazowych jest uważane jako dobra alterna-

tywa dla obecnie używanych rozwiązań.

Termochemiczne magazynowanie ciepła obejmuje wykorzystanie chemicznych reakcji od-

wracalnych jak również procesu sorpcji [1,2,4,14]. Wykorzystanie sorpcji bazuje na proce-

sach adsorpcji, o charakterze powierzchniowym oraz absorpcji obejmującym całą objętość

fazy, jak również desorpcji, czyli procesie odwrotnym, jako regeneracji. Magazynowanie cie-

pła realizowane jest zwykle w oparciu o chemisorpcję, która posiada wyższą entalpię w po-

równaniu z sorpcją fizyczną, lecz jednak bardziej utrudnioną desorpcję [11,14,15,16]. Odwra-

calne reakcje chemiczne to przemiany, które mogą przebiegać odpowiednio jako reakcje en-

dotermiczne lub egzotermiczne. Do przeprowadzenia reakcji endotermicznej potrzebne jest

doprowadzenie ciepła, a jej wynikiem jest rozdzielenie substancji, które mogą być przecho-

wywane.

W reakcji egzotermicznej, odwrotnej do poprzedniej, przy łączeniu związków następuje od-

zyskanie ciepła. Produkty tych reakcji i substraty mogą mieć różne stany skupienia, co należy

uwzględnić przy projektowaniu danego układu. Istotne jest również, że produkty reakcji en-

dotermicznej mogą być schłodzone, gdy reakcja przebiega w podwyższonej temperaturze,

a także magazynowane w temperaturze otoczenia, co ogranicza straty ciepła do otoczenia oraz

zmniejsza zagrożenie korozją.

Rys.7. Porównanie gęstości energii dla różnych substancji magazynujących [6].

Zmiany entalpii w czasie reakcji chemicznych są zwykle dużo większe od zmian entalpii w

czasie przemian fazowych, czy wykorzystujących sorpcję, dlatego gęstości energii, odniesio-

ne do jednostki masy lub objętości, są zwykle znacznie wyższe dla systemów chemicznych

[16]. Również zakresy temperatur odpowiednie dla każdego ze sposobów magazynowania

ciepła są zróżnicowane, a przykładowe zależności obrazuje rysunek 7. [6,11,14].

Magazynowanie ciepła pozyskanego w kolektorach słonecznych może być realizowane przez

wykorzystanie różnych metod, czynników i substancji. Najczęściej stosowaną metodą jest

gromadzenie energii promieniowania słonecznego w postaci ciepła jawnego w wodzie, ska-

łach, gruncie itp. poprzez stosowanie zasobników, złóż, zbiorników podziemnych, studni głę-

binowych, sond ziemnych, zawsze odpowiednio izolowanych [4,14]. Jednak sposoby te po-

siadają wiele niedogodności, wśród których najistotniejszymi są niskie gęstości energii oraz

duże straty ciepła. Nawet dobrze zaizolowane systemy mogą rozproszyć część ciepła, gdy

temperatura otoczenia będzie niższa od temperatury systemu gromadzącego. Przy dużej róż-

nicy temperatur ciepło może być utracone w bardzo krótkim czasie, co nie daje możliwości

jego przechowywania przez długie okresy, mimo wielu rozwiązań poprawiających izolacyj-

ność układów. Rzadziej używaną, lecz równie istotną metodą jest wykorzystanie przemian

fazowych materiałów, gdzie energia przechowywana jest z wykorzystaniem ciepła utajonego.

Inne chemiczne sposoby, jak wykorzystanie sorpcji czy reakcji odwracalnych w większości

przypadków realizowane są nadal jako rozwiązania eksperymentalne [11]. Pośrednie metody

nie wymagają izolowania, a jednocześnie czas magazynowania ciepła przy ich wykorzystaniu

jest dłuższy. Widoczne na rysunku 7. [6] porównanie gęstości energii dla różnych substancji

magazynujących pokazuje, iż wartości są wielokrotnie wyższe przy wykorzystaniu bardziej

złożonych procesów niż typowe, stosowane niemal w każdej instalacji, wykorzystanie np.

ciepła właściwego wody. Przełożyć się to może w oczywisty sposób na korzystne dla ukła-

dów, zmniejszenie rzeczywistej objętości zasobników ciepła.

Przykładowo dla zakumulowania 10 GJ ciepła niezbędne objętości magazynów przy wyko-

rzystaniu różnych metod magazynowania wg J.C.Hadorn’a [6] wyniosą odpowiednio: przy

wykorzystaniu wody 34m3 (dla t=70C), PCM 20m

3, sorpcji 10m

3, reakcji odwracalnych

1m3. Odnosząc tak określone zależności literaturowe do danych dla układu z całego okresu od

kwietnia do września, porównanie objętości magazynów wyznaczonych dla sumarycznych

ilości ciepła z promieniowania słonecznego w układzie (44,79 GJ), oraz całkowitego poten-

cjału technicznego (162,86 GJ), przedstawione zostało na rysunku 8.

Rys.8. Teoretyczne objętości magazynów dla różnych metod magazynowania, wyznaczone dla sumarycznych

ilości ciepła uzyskanych ze słońca w okresie IV-IX.

Zakładając, iż całe pozyskane w okresie letnim ciepło zostanie długoterminowo zmagazyno-

wane, a jego odbiór nastąpi dopiero w sezonie grzewczym, spośród teoretycznie porównanych

metod magazynowania dla analizowanego układu, na uwagę zasługuje zastosowanie sorpcji

oraz reakcji odwracalnych [6]. Rozwiązania te charakteryzuje wysoka gęstość energii, co

przekłada się na zdecydowane zmniejszenie wielkości zasobnika niezbędnego do przecho-

wywania substancji roboczej. W analizowanym układzie jest to niezmiernie istotne, ze wzglę-

du na ograniczenia związane z dostępną przestrzenią w obrębie instalacji, możliwą do zago-

spodarowania na potrzeby ewentualnego dodatkowego zasobnika. Kolejnym walorem są

również znikome straty ciepła. Niemniej jednak użycie sorpcji czy reakcji odwracalnych

obarczone jest również pewnymi trudnościami [1,4]. Mimo coraz obszerniej prowadzonych

badań w tym zakresie [2,4,14], stanowią one obecnie prototypy laboratoryjne i teoretyczne

rozwiązania, będące nadal na etapie prac rozwojowych, niż typowych wdrożeń wspomagają-

cych realnie działające jednostki wytwarzające ciepło. Również w bardziej zaawansowanych

badaniach [2,14,15], pojawiają się kwestie konieczności poprawy stabilności termicznej uży-

wanych substancji, a także usprawnienia procesów przekazywania ciepła i masy.

Mimo to, w pracach badawczo-rozwojowych przewidywanych na lata 2020-2035 [10] zało-

żone jest zwrócenie szczególnej uwagi na zaawansowane technologie termochemicznych me-

tod magazynowania ciepła w odniesieniu do zastosowań niskotemperaturowych w zakresie

10C÷250C. Obecnie szacowane koszty tych sposobów magazynowania ciepła są zdecydo-

wanie wysokie, w porównaniu z funkcjonującymi już rozwiązaniami. Dla metod termoche-

micznych określane są jako 8÷100€/kWh, dla porównania koszt przy wykorzystaniu PCM

10÷50€/kWh oraz ciepła właściwego wody 0,1÷10€/kWh [7]. Na koszt całkowity systemu

magazynowania ciepła składają się koszty inwestycyjne wyposażenia technicznego instalacji

oraz samej substancji magazynującej, jak również koszty operacyjne w trakcie eksploatacji

[7]. Jednak jak pokazują prowadzone analizy [9], koszty instalacyjne termochemicznych me-

tod magazynowania ciepła, w perspektywie do 2030r. powinny zmaleć

o 50÷70%, natomiast do 2050r. o 65÷85%.

5. PODSUMOWANIE

Wykorzystanie ciepła z kolektorów słonecznych w przedstawianym układzie może zostać

poprawione poprzez zintensyfikowanie odbioru, umiejętne magazynowanie, a także jak naj-

lepsze odzyskanie ciepła. Aby spełnić wymogi długoterminowego magazynowania ciepła,

należałoby spośród przytoczonych metod magazynowania, zwrócić uwagę na wykorzystanie

sorpcji lub reakcji odwracalnych.

Mimo iż metody te stanowią obecnie jeszcze zdecydowanie teoretyczne rozwiązania, będące

na etapie badań i laboratoryjnych prac rozwojowych, niż typowych wdrożeń w działających

jednostkach wytwarzających ciepło, w omawianym układzie mogą dawać możliwość podjęcia

próby realizowania prac naukowych w zakresie tej tematyki z wykorzystaniem realnej insta-

lacji.

Stosowane obecnie w instalacji zasobniki ciepła dają jedynie doraźną możliwość niwelowania

nierównomierności odbioru ciepła. Wprowadzenie do układu długoterminowego magazynu

ciepła stwarza dodatkowo możliwość wykorzystania w sezonie grzewczym pozyskanej latem

energii promieniowania słonecznego, zmniejszając tym samym zużycie biomasy.

LITERATURA

[1] Abedin A.H., Rosen M.A.: A Critical Review of Thermochemical Energy Storage. The

Open Renewable Energy Journal 4, 2011

[2] Aydin D., Casey S.P., Riffat S.: The latest advancements on thermochemical heat storage

systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 41, 2015

[3] Bujakowski W., praca zbior.: Program wykorzystania odnawialnych źródeł energii na

terenach nieprzemysłowych województwa śląskiego - część II. Instytut Gospodarki Su-

rowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków - Katowice, 2005

[4] Cabeza L. F., praca zbior.: Advances in Thermal Energy Storage Systems: Methods and

Applications. Woodhead Publishing, Elsevier, 2014

[5] Domański R.: Magazynowanie energii cieplnej. PWN, Warszawa, 1990

[6] Hadorn J.C. Advanced storage concepts for active solar energy. IEA-SHC Task 32,

2003-2007. In: Proceedings of first international conference on solar heating, cooling and

buildings - Eurosun. Lisbon, 2008

[7] Hauer A.: Thermal Energy Storage - Technology Brief E17, IEA-ETSAP and IRENA,

2013

[8] http://www.paradigma.pl/upload/file/DT_Kolektory_STAR.pdf

[9] IEA: Technology Roadmap - Energy - Efficient Buildings Heating and Cooling Equip-

ment. OECD/IEA, Paris, 2011

[10] IEA: Technology Roadmap - Energy Storage. OECD/IEA, Paris, 2014

[11] N’Tsoukpoe K.E., Liu H., Le Pierrès N., Luo L.: A review on long-term sorption solar

energy storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13, 2009

[12] Paksoy H.: Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption - Fundamen-

tals, Case Studies and Design. Springer, NATO Science Series II, Vol.234, 2007

[13] Rudniak J., Kobyłecki R., Bis Z.: Konwersja energii słońca i biomasy w ciepło - analiza

pracy układu. COW, 3, 2011

[14] Xu J., Wang R.Z., Li Y.: A review of available technologies for seasonal thermal energy

storage. Solar Energy, 2014

[15] Yan T., Wang R.Z., Li T.X., Wang L.W., Fred I.T.: A review of promising candidate re-

actions for chemical heat storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews 43, 2015

[16] Yu N., Wang R.Z., Wang L.W.: Sorption thermal storage for solar energy. Progress in

Energy and Combustion Science, 39, 2013

[17] Turski M., Sekret R.: Konieczność reorganizacji systemów ciepłowniczych w świetle

zmian zachodzących w sektorze budowlano-instalacyjnym. Rynek Energii, 4(119), 2015

THE SOLAR ENERGY USE AND THERMAL STORAGE

Keywords: combined system, solar radiation, thermal storage, heat storage

Summary. The article describes the operating characteristics of the combined system consisting of solar collec-

tors and biomass boilers, as well as the amount of energy obtained in it, which compared with the technical po-

tential of solar radiation, especially for the summer period, is significantly too low. In order to increase effi-

ciency of the system is necessary to intensify heat removal in summer through long-term energy storage. Various

heat accumulation methods are presented, including thermochemical storage with increased energy density.

Attention was paid to high cost of this method and the need to broaden testing for applying it in real operating

systems.

Robert Sekret, prof. dr hab. inż., Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Środowi-

ska i Biotechnologii, Kierownik Katedry Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji, profe-

sor zwyczajny, dyscyplina naukowa: inżynieria środowiska i energetyka, zainteresowania

naukowe: systemy i technologie zaopatrzenia budynków w energię, e-mail: rse-

kret@is.pcz.czest.pl

Joanna Rudniak, dr inż., Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Środowiska i Bio-

technologii, Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji, adiunkt, dyscyplina nauko-

wa: inżynieria środowiska, zainteresowania naukowe: odnawialne źródła energii, magazyno-

wanie energii, e-mail: joa@is.pcz.czest.pl

Materiał został przygotowany w ramach badań statutowych Politechniki Częstochowskiej

BS/PB-407-302/11