Kolektory słoneczne

Termiczne kolektory słoneczne są podstawowymi elementami aktywnych systemów solarnych. W kolektorach wykorzystywane jest zjawisko konwersji fototermicznej, polegające na przetwarzaniu energii promieniowania słonecznego na ciepło.

Zadaniem kolektorów jest pochłanianie docierającej do nich energii promieniowania słonecznego i przekazywanie pozyskanej energii przepływającemu czynnikowi roboczemu. W systemach cieczowych jest nim woda lub mieszanina niezamarzająca, w systemach powietrznych – powietrze.

Obecnie najczęściej wykorzystywanymi typami kolektorów słonecznych są:

kolektory płaskie,
kolektory próżniowe rurowe.

Inne rodzaje kolektorów to:

niskotemperaturowe kolektory – absorbery bez pokrywy czołowej, wykorzystywane głównie do podgrzewania wody w basenach, charakteryzujące się wysoką wydajnością w warunkach stosunkowo wysokiej temperatury otoczenia i temperatury podgrzewania nie przekraczającej 30°C;
cieczowe kolektory magazynujące (pojemnościowe), łączące w sobie funkcje kolektora słonecznego i magazynu energii;
kolektory skupiające, w których zwierciadła odbijają promienie słoneczne w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła; celność zwierciadeł uzależniona jest od kierunku padania promieni słonecznych, co oznacza, że kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca;
płaskie kolektory powietrzne, stosowane w budownictwie jako elementy elewacji lub w rolnictwie do celów suszarniczych.

Obecnie najczęściej instalowanym typem kolektorów są kolektory płaskie. Podstawowym elementem kolektora płaskiego jest absorber płytowy lub rurowy. Jego głównym zadaniem jest absorpcja, czyli pochłanianie energii promieniowania słonecznego oraz przekazanie jej czynnikowi transportującemu ciepło.

Budowa kolektora płaskiego

W przypadku absorbera płytowego przepływ czynnika odbierającego ciepło odbywa się powierzchniowo pod całą płytą absorbera, przy czym czynnikiem odbierającym i transportującym ciepło może być ciecz lub powietrze. W przypadku absorberów rurowych przepływ cieczy, którą może być woda lub mieszanka niezamarzająca, odbywa się w rurach.

Od wierzchu kolektor przykryty jest osłoną ze szkła hartowanego lub tworzywa. Kolektory płaskie pobierają promieniowanie bezpośrednie.

Kolektory płaskie produkowane są również jako kolektory próżniowe. W kolektorach tych wokół absorbera wytworzona jest próżnia, dzięki czemu występują w nich małe straty ciepła. Kolektory te pochłaniają również promieniowanie rozproszone i mają wyższą sprawność niż zwykłe kolektory płaskie.

Budowa kolektora płaskiego próżniowego

W kolektorach próżniowych rurowych absorber umieszczony jest w szklanej rurze próżniowej. Najpopularniejsze kolektory rurowe to kolektory z przepływem bezpośrednim czynnika roboczego, kolektory z rurkami cieplnymi oraz kolektory z parabolicznym zwierciadłem.

Kolektory z przepływem bezpośrednim czynnika roboczego posiadają dwie rurki zamontowane współosiowo wewnątrz szklanej rury próżniowej. Wewnętrzną rurką wpływa do absorbera zimny czynnik roboczy, zewnętrzną – wraca do instalacji czynnik ogrzany.

Budowa kolektora próżniowego z przepływem bezpośrednim

W kolektorach z rurkami cieplnymi energia promieniowania słonecznego odbierana jest z absorbera w czasie odparowywania cieczy, która znajduje się w rurce. Jest to ciecz o niskiej temperaturze parowania, na przykład alkohol. Kolektory te mają wyższą sprawność niż kolektory z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego. Dodatkową zaletą układu rur próżniowych o przepływie pośrednim jest możliwość demontażu pojedynczego układu bez zatrzymywania całej instalacji.

Budowa kolektora próżniowego z rurkami cieplnymi

Kolektory z parabolicznym zwierciadłem CPC (ang. Compound Parabolic Concentrator). zbudowane są z luster, za pomocą których promieniowanie słoneczne jest skupiane wewnątrz kolektora i kierowane na rurę z czynnikiem roboczym. Kształt zwierciadła zwiększa zdolność absorbowania promieniowania rozproszonego przez chmury, a także promieniowania bezpośredniego docierającego do kolektora pod niekorzystnym kątem.

Budowa kolektora próżniowego z parabolicznym zwierciadłem CPC

W polskich warunkach geograficznych instalacja solarna może być wykorzystana do:

wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej,
wspomagania instalacji podgrzewu wody basenowej,
wspomagania systemu ogrzewania.

Procentowy stopień pokrycia zapotrzebowania ciepła dla podgrzewu c.w.u.

Kombinacja tych funkcji stwarza cztery podstawowe warianty wykorzystania instalacji solarnej.

Wspomaganie przygotowania ciepłej wody użytkowej – kolektory są w stanie pokryć do 60% rocznego zapotrzebowania na ciepła wodę. Pozostałe 40% pochodzi z tradycyjnego źródła energii.

Wspomaganie przygotowania ciepłej wody użytkowej jest w polskich warunkach najefektywniejszym zastosowaniem instalacji solarnej. Wspomaganie przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz podgrzewu wody basenowej – prawidłowo dobrana i eksploatowana instalacja solarna jest w stanie pokryć do 80% rocznego zapotrzebowania energii w przypadku basenów otwartych w okresie czerwiec – sierpień oraz do 60% w przypadków całorocznych basenów krytych.

Wspomaganie przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz instalacji ogrzewania podłogowego – instalacja solarna jest w stanie pokryć do 25% rocznego łącznego zapotrzebowania energii. Wspomaganie ogrzewania podłogowego jest nieznaczne i odbywa się jedynie w okresach przejściowych. Rozwiązanie takie stosuje się stosunkowo rzadko w związku z dużymi nakładami inwestycyjnymi i długimi okresami zwrotu kosztów.

Wspomaganie przygotowania ciepłej wody użytkowej, podgrzewu wody basenowej oraz instalacji ogrzewania podłogowego – większa powierzchnia kolektorów w okresie zimowym wykorzystywana jest wspomagania ogrzewania podłogowego, zaś w okresie letnim wspomaga instalację podgrzewu wody basenowej. W tym przypadku inwestycja jest stosunkowo efektywna energetycznie.

Dobór instalacji solarnej polega przede wszystkim na prawidłowym określeniu wymaganej powierzchni kolektorów słonecznych, tak aby zapewnić jak największe korzyści dzięki ich pracy, a jednocześnie nie dopuścić do powstania nadwyżek ciepła.

W typowej instalacji solarnej do przygotowania ciepłej wody użytkowej dla trzyosobowej rodziny wystarczą kolektory płaskie o łącznej powierzchni absorbera około 4 mkw lub kolektory próżniowe o powierzchni około 2.5 mkw. Czteroosobowa rodzina potrzebować będzie odpowiednio około 5.5 mkw kolektorów płaskich lub około 3.5 mkw kolektorów próżniowych.

W celu optymalnego wykorzystania kolektor powinien być on ustawiony prostopadle do padania promieni słonecznych. Ponieważ najintensywniejsze promieniowanie występuje w godzinach południowych, dlatego płaszczyzna kolektora powinna być skierowana w kierunku południowym, zaś kąt pomiędzy poziomem a płaszczyzną kolektora powinien znajdować się w przedziale 30° a 45°.

Kolektory słoneczne montuje się zazwyczaj na dachach domów, niekiedy na ścianach, zaś kolektory służące do podgrzewania wody w basenach – na ziemnych konstrukcjach.

Sposoby montażu kolektorów słonecznych

Instalacja na dachu spadzistym umożliwia użycie kolektorów płaskich lub próżniowych. Montaż kolektorów na dachu wykonuje się szybko, a koszty z tym związane są stosunkowo niewielkie. Wadą takiego umiejscowienia są większe straty ciepła niż w przypadku kolektorów zamontowanych w połaci dachowej.

Instalacja w dachu spadzistym pozwala na zastosowanie kolektorów płaskich, pod warunkiem, że nachylenie dachu wynosi co najmniej 25°. Kolektor zastępuje wówczas część pokrycia. Pewne utrudnienie stanowi konieczność precyzyjnego wykonania izolacji przeciwwilgociowej.

Instalacja na ziemi lub na dachu płaskim daje możliwość optymalnego ustawienia kolektora względem słońca, co zapewnia maksymalną wydajność urządzenia. Jednak usytuowanie kolektorów w większej odległości od budynku powiększa straty na przesyle ciepła. Zaletą umieszczenia kolektorów na ziemi lub na dachu płaskim jest niższy koszt montażu, jednak część tych oszczędności pochłoną koszty konstrukcji wsporczej i zabezpieczenie konstrukcji przed wyładowaniami atmosferycznymi. Tak zamontowane kolektory łatwiej jest czyść i odśnieżać, co zwiększa ich wydajność. W razie awarii łatwiejsza jest ich naprawa.

Na lub przy południowej ścianie budynku. Montaż na ścianie jest łatwiejszy technicznie niż na dachu, a zawieszony na ścianie kolektor jest też mniej narażony na chłodzące działanie wiatru. Ponadto może pochłaniać dodatkowe promieniowanie, które odbija się od ziemi i obiektów znajdujących się w pobliżu kolektora – a zatem takie usytuowanie może zapewnić większą wydajność kolektora, a nam – większe oszczędności w kosztach przygotowania ciepłej wody. Jednak nie każdy kolektor da się tak zamontować, ze względu na większe opory przepływu możliwość ta dotyczy jedynie urządzeń przystosowanych do montażu w pozycji pionowej.