2010-10-25 10:32:13 
Zasada działania każdego kolektora słonecznego jest taka sama: docierające do niego promieniowanie słoneczne jest zamieniane na ciepło, które następnie jest kierowane do instalacji domowej, gdzie służy do przygotowania ciepłej wody użytkowej, rzadziej - do ogrzewania pomieszczeń. Rynek jest obecnie zdominowany przez dwa typy kolektorów - płaskie i próżniowe.
Kolektory płaskie
Rys. 1 Budowa kolektora płaskiego
Promieniowanie słoneczne pochłaniane jest w nich przez płaską metalową płytę nazywaną absorberem, która nagrzewa się i przekazuje ciepło do wypełnionych roztworem glikolu rurek stykających się ze jej spodem. Ogrzany płyn płynie przewodami do wymiennika ciepła umieszczonego w zasobniku ciepłej wody, po czym ochłodzony powraca do kolektora.
Obudowa kolektora słonecznego musi go chronić przed uszkodzeniami, dlatego od góry przykrywa go tafla szkła odpornego na grad. Obudowa zapobiega też ucieczce ciepła z kolektora do otoczenia, dlatego jest izolowana termicznie - najczęściej wełną mineralną. Sama płyta absorbera jest pokryta specjalną powłoką, która bardzo skutecznie pochłania promieniowanie słoneczne, lecz sama wypromieniowuje niewiele ciepła.
Rurowe kolektory próżniowe
Rys. 2 Budowa rury kolektora próżniowego z tzw. ciepłowodem
Składają się z wielu szklanych rur, wewnątrz których znajduje się element absorbujący promienie słoneczne. W rurach panuje próżnia, która jest niemal doskonałym izolatorem, zatem straty pozyskanego przez absorber ciepła są znikome.
Absorberem może być:
- metalowa blaszka;
- druga szklana rurka z naniesionymi na zewnętrzne ścianki związkami metali, które poprawiają absorpcję promieniowania słonecznego;
Ciepło absorber przekazuje albo umieszczonej wewnątrz szklanej rury rurce z glikolem, albo tzw. ciepłowodowi (heat pipe), musi ono dalej trafić do instalacji. W tym celu poszczególne rury łączy łączy "szyną zbiorczą" (np. rurką, przez którą przepływa roztwór glikolu). Połączenia elementów muszą zapewniać z jednej strony efektywne przekazywanie tego ciepła, a równocześnie - nie mogą powodować nadmiernych jego strat do otoczenia. Spełnienie tych warunków jest trudne.
Rurowe kolektory próżniowe mogą dość skutecznie wykorzystywać także promieniowanie padające na rury z boku, a dodatkowo często wyposaża się je w zwierciadła paraboliczne skupiające światło na absorberze.
Ciepło z kolektora
W tradycyjnej instalacji grzewczej dysponujemy pewną ilością paliwa, dzięki któremu możemy podgrzać określoną ilość wody do żądanej temperatury, choć jeśli paliwa jest mało, to i wody podgrzejemy niewiele.
Instalacja solarna działa jednak inaczej. Zamiast paliwa wykorzystujemy promieniowane słoneczne, którego intensywność jest od nas w zasadzie niezależna i zmienia się wraz z porą roku. Na miesiące letnie, od maja do końca sierpnia, przypada ok. 60% energii docierającej do nas ze słońca, a od listopada do lutego jest to zaledwie ok. 10%. W związku z tym kolektor - ani próżniowy, ani płaski - nie jest w stanie pokryć zimą zapotrzebowania na c.w.u., a tym bardziej nie nadaje się na główne źródło ciepła dla domu, bo zimą potrzebujemy go przecież najwięcej.
Możliwości wykorzystania kolektora słonecznego zależą też w dużym stopniu od jego strat ciepła, które są tym większe im mniej skuteczna jest jego izolacja. Rzecz w tym, że kolektor o słabej izolacji pochłonie co prawda pewną ilość promieniowania słonecznego nawet gdy temperatura otoczenia jest bardzo niska (czym chętnie pochwali się sprzedawca), ale ten zysk energii będzie miał tylko teoretyczne znaczenie, bo powstałe ciepło i tak ucieknie do otoczenia. W praktyce potrzebna jest przynajmniej kilku-, czy kilkunastostopniowa różnica temperatury pomiędzy wodą w zasobniku a płynem solarnym z kolektora. Zdecydowanie lepszą izolacyjność oferują kolektory próżniowe, dlatego są wydajniejsze w niskiej temperaturze.
W grudniu czy styczniu, gdy temperatura spada poniżej zera (choćby tylko do -2°C) płyn z kolektora płaskiego będzie miał np. temperaturę zaledwie 10°C, czyli tyle co zimna woda wodociągowa. Jego ciepła więc nie wykorzystamy.
W takich warunkach kolektor próżniowy pozwoli zaś uzyskać temperaturę ok. 20°C, może więc wstępnie podgrzać wodę. Do żądanej temperatury dogrzeje ją następnie konwencjonalne źródło ciepła (kocioł, grzałka elektryczna itp.). Uwaga! Zwiększenie powierzchni kolektorów będzie w tej sytuacji niemal bezowocne - woda w zasobniku i tak nie osiągnie wyższej temperatury niż płyn ogrzany przez kolektor.
Zastosowanie próżni jako izolacji pozwala zminimalizować straty ciepła do otoczenia (Hartman)
Efektywność działania kolektorów w różnych miesiącach można nieco poprawić, dobierając odpowiednio ich kąt nachylenia do poziomu:
do 30° - jeśli zależy nam na wykorzystaniu kolektorów głównie latem, bo np. podgrzewamy wówczas wodę w basenie albo prowadzimy pensjonat i gości mamy niemal wyłącznie latem. Lepszym wyborem będą wówczas kolektory płaskie;
ok. 50° to najczęstsze rozwiązanie, dobre gdy kolektory podgrzewają c.w.u dla kilku osób. Zapewnia zwiększenie uzysku energii wiosną i jesienią, zimą zaś i tak możliwości kolektorów są bardo słabe, natomiast latem mamy raczej nadmiar ciepła do wykorzystania. Kolektory próżniowe będą w tej sytuacji nieco bardziej wydajne;
80°-90° - gdy mimo wszystko zależy nam na zwiększeniu zysków z kolektora zimą. Taka instalacja będzie musiała być zdecydowanie większa niż typowa, co zrównoważy wpływ niekorzystnego ustawienia w sezonie letnim. W tym przypadku uzasadnione jest stosowanie tylko kolektorów próżniowych.
Ważne parametry kolektorów
Dzięki lustrom parabolicznym kolektor rurowy wykorzystuje światło padające na dużą powierzchnię
Jeśli chcemy poznać parametry kolektorów słonecznych, pytajmy zawsze w jakich warunkach je uzyskano. Porównanie różnych urządzeń ma sens tylko w tedy, gdy procedura ich testowania była taka sama (zgodna z tą samą normą), co można sprawdzić w certyfikatach urządzeń. Tylko wówczas amator może porównać kolektory (o ile są tego samego typu - płaski z płaskim lub próżniowy z próżniowym).
Najważniejsze parametry kolektorów przedstawiono poniżej.
Współczynnik przenikania ciepła liniowy oraz kwadratowy - im są mniejsze tym lepiej. Określają jakość izolacji termicznej urządzenia. Bywają różnie nazywane i oznaczane (najczęściej "a1" "a2") ale bardzo charakterystyczne są jednostki: W/(m2·K) oraz W/(m2·K2)
Sprawność optyczna - im wyższa tym lepiej. To maksymalna sprawność kolektora uzyskiwana w sytuacji, gdy jego temperatura jest równa temperaturze otoczenia (zatem nie ma ucieczki ciepła). Wielkość ta wskazuje, jaką część docierającej do kolektora energii słonecznej zostanie zamieniona na ciepło - z uwzględnieniem zarówno parametrów absorbera, jak i wpływu osłaniającej go szyby. Sprzedawcy zamiast sprawności optycznej chętnie eksponują robiące na laikach większe wrażenie parametry samego absorbera: współczynnik absorpcji przekraczający 95% oraz niski, poniżej 5%, współczynnik emisji, sugerując, że porównanie tych wartości określa sprawność całego urządzenia. Jednak o ile różnice w sprawności optycznej są duże pomiędzy poszczególnymi urządzeniami, to parametry absorberów są niemal identyczne.
Kolektory płaskie mają wyższą sprawność optyczną niż próżniowe, dlatego w sezonie letnim mogą być efektywniejsze, bo wówczas ich gorsza izolacja cieplna traci na znaczeniu.
Powierzchnia kolektora - im większa tym lepiej. Najczęściej podawana jest powierzchnia absorbera oraz powierzchnia apertury, czyli powierzchnia, z której promieniowane słoneczne pada na absorber. W kolektorach płaskich różnice pomiędzy tymi dwoma wielkościami są znikome, ale w kolektorach rurowych powierzchnia apertury jest znacznie większa od powierzchni absorbera (skupia się na nim promieniowanie z dużej powierzchni). Najlepiej jeśli producent podaje inne parametry, np. uzysk energii z 1 m2 kolektora, bazując na powierzchni apertury, bo w odniesieniu do rurowych kolektorów próżniowych przyjęcie powierzchni absorbera prowadzi do sztucznego zawyżenia wyników. Uwaga! Producenci często podają też powierzchnię zabudowy - warto na nią zwrócić uwagę, bo informuje o tym, ile miejsca zajmie kolektor na dachu lub ścianie.
Potwierdzony certyfikatem roczny uzysk energii z 1 m2 powierzchni kolektora. Im jest wyższy, tym lepiej - trzeba jednak od razu sprawdzić, jak i dla jakiej miejscowości był liczony. Bardzo często producenci podają wartości uzyskane na terenie Niemiec, a w polskich warunkach zwykle będą one mniejsze. Nie mniej istotne jest określenie, jaką część rocznego zapotrzebowania na c.w.u. pokrywała instalacja. Jeśli było np. tylko 30%, to wystarczyło mniej kolektorów a uzysk z 1 m2 był większy niż w instalacji w większej instalacji wykorzystującej ten sam model kolektorów, ale zaprojektowanej tak, by pokrywała 60% zapotrzebowania rocznego.
Podsumowanie
Kiedy więc warto polecić kolektory płaskie, a kiedy próżniowe?
Płaskie, gdy ciepło z nich wykorzystujemy głównie latem - w następujących sytuacjach:
- źródłem ciepła w domu jest kocioł na paliwo stałe, a kolektory sprawią, że nie trzeba będzie z niego korzystać przez kilka miesięcy w roku, -
- podgrzewamy wodę w basenie;
- prowadzimy pensjonat lub hotel, w których gości mamy głównie w lipcu i sierpniu.
Próżniowe będą lepszym rozwiązaniem jeśli planujemy:
- pokryć jak największą część zapotrzebowania na energię do przygotowania c.w.u. w ciągu całego roku;
- wykorzystać energię słoneczną do dogrzewania pomieszczeń.
opr.: Jarosław Antkiewicz
zdjęcie wprowadzające: Velux
Komentarze