W ciągu ostatnich 100 – 150 lat wykorzystanie energii w gospodarce bardzo szybko wzrosło. W 2005 r. osiągnięto 4,8 * 10²⁰ J rocznie co odpowiada średniej wartości pobieranej mocy 15 mln MW (1,5*¹⁰W). Oznacza to, że w populacji ludzkiej liczącej ponad 6,4 miliarda osób, każdy człowiek niezależnie od wieku zużywa ciągle 2,4 kW energii. Przewidywany jest dalszy wzrost jej zużycia. W 2050 r. oczekiwane jest zużycie około 2,8 kW energii na osobę, z jednoczesnym znacznym wzrostem liczby ludzi (9,4 miliardów). Spowoduje to prawie dwukrotny wzrost ogólnej produkcji i zużycia energii.

Głównym źródłem dostarczanej energii są paliwa kopalne: ropa, gaz i węgiel. Przy takiej intensywności jej wykorzystania, jak przedstawiono wcześniej, rozpoznane złoża paliw kopalnych zostaną zużyte w dość krótkim czasie: ropy – za 40 lat, gazu – za 50 lat, węgla – za 200 lat. W przyszłości zostaną prawdopodobnie odkryte nowe złoża paliw, ale z pewnością będą trudniej dostępne. Do użytku włączone również zostaną pokłady, których eksploatacja obecnie nie jest opłacalna. Opóźni to nieco czas ich wyczerpania, jednak znacząco nie zmieni sytuacji. Pokłady paliw naturalnych są nieodnawialne i po pewnym czasie się wyczerpią.

Gazy: CO₂, SO₂, NO₂ i NO, powstające podczas spalania paliw, są oprócz tego szkodliwe dla środowiska, ponieważ wywołują niepożądane skutki w postaci kwaśnych deszczy, ocieplenia klimatu, nasilenia zjawisk katastrofalnych itp. W związku z tym ludzie zmuszeni są do poszukiwania odnawialnych i proekologicznych źródeł energii, Niewyczerpalnym źródłem energii dla Ziemi jest Słońce. Promieniowanie słoneczne bezpośrednio ogrzewa Ziemię, oprócz tego w procesach naturalnych przekształca się w energię wiatru, prądów fal morskich, spływających wód rzek, biomasę. Dla ludzkości są to niewyczerpalne źródła energii, a ich eksploatacja praktycznie nie przynosi szkody środowisku.

Najbardziej dostępne i całkowicie czyste ekologicznie jest bezpośrednie wykorzystanie promieniowania słonecznego. Dlatego instalacje słoneczne w ostatnim czasie stały się bardzo popularne.

Energię promieniowania słonecznego wykorzystuje się w procesach:

• Konwersji fototermicznej, czyli po prostu do ogrzewania (sprawność urządzeń wynosi z reguły powyżej 50%),

• Konwersji fotowoltaicznej, czyli do bezpośredniego wytwarzania prądu elektrycznego (sprawność urządzeń 8 – 20 %),

• Biofotosyntezy (sprawność przetwarzania promieniowania słonecznego w biomasę nie przekracza 1%).

Obecnie wśród urządzeń wykorzystujących energię promieniowania słonecznego najbardziej rozpowszechnione są płaskie kolektory słoneczne.

Zgodnie z polityką prowadzoną przez państwa Unii Europejskiej rząd polski w Strategii rozwoju energetyki odnawialnej … 2000 jako jeden z celów określił osiągnięcie 7,5% udziału energii odnawialnej w bilansie energii pierwotnej kraju w 2010 r, w tym zwiększenie mocy w zainstalowanych kolektorach słonecznych z 10 do 700 MW.

W książce przedstawiono opis najważniejszych procesów termicznych zachodzących w płaskich kolektorach słonecznych, metodę ich obliczeń, wyniki analizy wpływu konstrukcji kolektorów i parametrów meteorologicznych na sprawność ich pracy oraz zupełnie nowe urządzenie – cyrkulacyjną pompę napędzaną ciepłem lokalnym, pobieranym z kolektora słonecznego.

Spis treści

Wykaz najważniejszych oznaczeń

Wstęp

1. Perspektywy wykorzystania energii promieniowania słonecznego

   1. Energia, jej formy, jakość i właściwości konsumpcyjne

   2. Możliwości wykorzystania energii słonecznej

   3. Oszacowanie techniczno – ekonomiczne

2. Słońce a Ziemia

3. Przekazywanie ciepła

   1. Przewodzenie ciepła

   2. Wnikanie ciepła

   3. Przenikanie ciepła przez przegrodę

   4. Wymiana ciepła w przestrzeniach ograniczonych (szczelinach)

   5. Promieniowanie

      1. Bilans energii promieniowania padającego na ciepło materialne

      2. Prawo Plancka

      3. Prawo Stefana – Boltzmanna

      4. Prawo Kirchhoffa

      5. Promieniowanie gazów

      6. Wymiana ciepła przez promieniowanie

      7. Temperatura stanu równowagi ciał naświetlanych promieniowaniem słonecznym

4. Kolektory słoneczne

   1. Płaskie cieczowe kolektory słoneczne

   2. Próżniowe kolektory słoneczne

   3. Skupiające kolektory słoneczne

   4. Zestawienie znanych konstrukcji instalacji słonecznych

   5. Skala produkcji płaskich i próżniowych kolektorów słonecznych

5. Wymiana ciepła wewnątrz i na zewnątrz kolektora słonecznego

   1. Założenia fizyczne do modelu matematycznego

   2. Analizowane parametry konstrukcyjno-eksploatacyjne kolektora

   3. Wyniki obliczeń dla podstawowego zestawu danych wejściowych

   4. Wpływ parametrów konstrukcyjnych na sprawność kolektorów

   5. Oddziaływanie parametrów meteorologicznych na sprawność kolektorów

   6. Wpływ warunków eksploatacyjnych na sprawność kolektorów

   7. Wnioski dotyczące oddziaływania parametrów konstrukcyjno-eksploatacyjnych na sprawność kolektorów

6. Obieg cyrkulacyjny płynu roboczego w instalacji słonecznej

   1. Obiegi cyrkulacyjne

   2. Termosyfon odwrócony (wsteczny)

Piśmiennictwo

Aneks