Ekspert Funduszy Unii Europejskiej na lata 2014 - 2020

energia_odnawialna


Co to są kolektory słoneczne?

Kolektory słoneczne zwane również solarami służą do konwersji energii promienia słonecznego na ciepło. Energia docierająca do kolektora zamieniana jest na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).

Kolektory słoneczne były do niedawna tożsame z pojęciem kolektorów płaskich. Postępy technologiczne w pozyskiwaniu energii słonecznej przyczyniły się do tego, iż obecnie klienci mogą wybierać w różnorodnych typach i rozwiązaniach konstrukcyjnych kolektorów słonecznych.

Najbardziej klasyczny podział kolektorów słonecznych dzieli je ze względu na rodzaj krążącego czynnika grzewczego, kolektory słoneczne dzielą się na cieczowe i powietrzne.

Kolektory słoneczne powietrzne – Najczęściej wykorzystywane są w systemach ogrzewania powietrznego i służące do wstępnego podgrzewu powietrza, które zostaje następnie dogrzane przez urządzenie pracujące w sposób tradycyjny. Ze względu na stosunkowo niską sprawność wymiany ciepła spotyka się je bardzo rzadko w instalacjach solarnych. Nie można jednak powiedzieć, że nie mają one zalet… Pracują w niskiej temperaturze i zastosowanie ich pozwala na bezpośrednie ogrzewanie powietrza bez konieczności budowania instalacji z czynnikiem pośrednim, stosowania wymienników itp.;

Kolektory słoneczne cieczowe – mają dużo wyższą sprawność od kolektorów powietrznych, a co za tym idzie pozwalają na szersze wykorzystanie w instalacjach grzewczych. Sprawnością kolektora jest stosunek energii odebranej przez krążącą w nim ciecz do całkowitego natężenia promieniowania docierającego do kolektora. Kolektory cieczowe dzielone są na płaskie, próżniowe i próżniowo- rurowe.

Kolektory słoneczne składają się z trzech podstawowych warstw:

1) przezroczystej osłony ze szkła hartowanego- podstawowym zadaniem osłony jest ochrona kolektora przed uszkodzeniem, np. w czasie silnego deszczu czy gradobicia

2) izolacji i obudowy, których celem jest zapobieganie oddawania ciepła do otoczenia. Funkcję izolatora pełni często wełna mineralna lub pianka poliuretanowa

3) absorbera- jest to najważniejszy element kolektora, który wykonany został z metalu dobrze przewodzącego ciepło, najczęściej z miedzi. Metal pokryty jest substancjami, które tworzą tzw. powłokę absorpcyjną (pochłaniającą). Absorbera może być wykona w wersji najprostszej, czyli z czarnej farby, ale również z czarnego chromu, tlenku tytanu i krzemu, związków aluminium lub innych. Do płyty absorbera przylutowane są rurki, przez które przepływa czynnik grzewczy.

Przy wyborze kolektorów należy brać pod uwagę rodzaj powłoki, gdyż to on decyduje o sprawności kolektora.

Wśród kolektorów dostępnych na rynku, możemy podzielić je na następujące rodzaje:

1) kolektory płaskie – najczęściej używane. Absorber kolektora płaskiego jest zbudowany z rurek miedzianych o niewielkim przekroju. Czynnikiem grzewczym przepływającym w miedzianych rurkach kolektora jest ciecz. Odbiera ona ciepło od aktywnej warstwy absorbera. Kolektory płaskie charakteryzują się wysokimi parametrami pochłaniania energii słonecznej, gdyż dzięki sprecyzowanej budowie absorbera kolektora płaskiego następuje szybka cyrkulacja cieczy, a tym samym skuteczniejszy odbiór energii i szybsze przekazanie go do instalacji.  Od wierzchu, całość powierzchni kolektora  przykryta jest osłoną ze szkła hartowanego lub tworzywa.

Promieniowanie słoneczne docierające na powierzchnię ziemi dzieli się na promieniowanie bezpośrednie i tzw. rozproszone.  Dużą zaletą płaskich kolektorów słonecznych jest fakt, iż oprócz tego że pobierają promienie bezpośrednie to dodatkowo pracują nawet w warunkach promieniowania rozproszonego. Niestety nie wszystkie rodzaje kolektorów słonecznych mogą pracować przy promieniowaniu rozproszonym. Udział promieniowania rozproszonego w całkowitym można szacować na poziomie 50% w skali roku.

kolektor1

kolektor2

2)  kolektory próżniowe – zbudowane niemal identycznie jak kolektory płaskie, lecz wokół absorbera wytworzona jest próżnia. Dzięki swojej budowie, kolektory tego typu mają bardzo małe straty ciepła i ich sprawność jest wyższa od zwykłych kolektorów płaskich. Oprócz promieni bezpośrednich pochłaniają także promieniowanie rozproszone, dzięki czemu mają wyższą sprawność niż zwykłe kolektory płaskie.

Kolektor próżniowy nie jest zagrożony korozją wskutek wykraplania się w jego wnętrzu wilgoci, nie dostaje się też do wnętrza kurz (co zawdzięczyć można hermetycznej obudowie). Dzięki temu dłużej utrzyma wysoką sprawność pozyskiwania ciepła z promieniowania słonecznego. Przy kolektorach próżniowych należy zwrócić szczególną uwagę na prawidłowe wykonanie izolacji.  W przypadku nieprawidłowości, gdy do próżni dostanie się powietrze należy naprawić izolację i wytworzyć na nowo próżnię.

kolektor3

3) kolektory próżniowo-rurowe (heat-pipe) – Posiadają absorber umieszczony w szklanej rurze próżniowej. Charakterystyczna budowa kolektorów  próżniowo- rurowych  pozwala im na uzyskanie  większej sprawności w pozyskaniu energii  niż w kolektorach płaskich.  Dzięki temu, że odbierają ciepło z promieniowania rozproszonego, ogrzewają wodę nawet zimą, gdy niebo jest zachmurzone. Są to kolektory najbardziej polecane z punktu widzenia energooszczędności.

kolektor4

kolektor5

Kolektory próżniowo-rurowe zbudowane zostały z wykorzystaniem technologii Heat-Pipe- systemem dwustopniowej wymiany ciepła,  w którym czynnik podgrzany w odizolowanej rurce wewnątrz kolektora paruje i oddając ciepło w kondensatorze na końcu rury solarnej, ponownie się skrapla. Ciepło z kondensatora transportowane jest przez drugą ciecz do wężownicy w podgrzewaczu wody.  Dzięki opisanemu systemowi solary próżniowo-rurowe uzyskują większą sprawność w pozyskiwaniu energii niż kolektory płaskie, w których płyn roboczy przepływa z kolektorów od razu do wężownicy podgrzewacza.

W kolektorach rurowych absorber może być obrócony i optymalnie ustawiony względem słońca. Każdy absorber należy ręcznie ustawić w pozycji optymalnej dla pracy urządzenia, pamiętając o utrzymaniu jednakowego kąta nachylenia wszystkich absorberów.

4)  kolektory skupiające – promienie słoneczne w tego typu kolektorach odbijane są w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celowość zwierciadeł uzależniona jest od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musiałby poruszać się zgodnie z pozornym przemieszczaniem się promieni słonecznych, co tym samym zwiększa koszty budowy i utrzymania tego typu systemu solarnego, lecz zapewnia większą sprawność instalacji.

kolektor6

Każda instalacja solarna składa się z baterii kolektorów, umieszczonej zazwyczaj na dachu budynku, podgrzewacza umieszczonego wewnątrz budynku (zazwyczaj w sąsiedztwie kotła c.o. i zespołu pompowo-sterowniczego umieszczonego obok podgrzewacza (zwykle na ścianie).

Zasada działania instalacji solarnej jest następująca: kolektor solarny zamienia promieniowanie słoneczne na ciepło. Nośnikiem ciepła jest niezamarzający roztwór glikolu propylenowego krążący w instalacji na skutek pracy pompy obiegowej w zespole sterowniczo-pompowym. Bateria kolektora połączona jest hydraulicznie z wężownicą umieszczoną w podgrzewaczu wody użytkowej dwiema rurami elastycznymi ze stali nierdzewnej lub miedzianymi, o średnicy dobranej do wielkości baterii słonecznej. Nośnik (roztwór glikolu) zabiera ciepło z kolektorów i przenosi je do wężownicy, która nagrzewa wodę w podgrzewaczu.

kolektor7

W poprawnie wykonanej instalacji solarnej, różnica temperatur pomiędzy nośnikiem wypływającym z kolektora a dopływającym do kolektora powinna wynosić maksymalnie 15oC. Oznacza to, że zawsze kolektor słoneczny posiada wyższą temperaturę niż temperatura wody w zbiorniku. Poprawnie zaprojektowana instalacja (składająca się z właściwie dobranych podzespołów do pojemności podgrzewacza, ilości kolektorów słonecznych oraz właściwie podłączonej całej instalacji) powinna w ciągu kilku godzin pracy kolektorów nagrzać wodę w zbiorniku do temperatury nie wyższej niż 70oC. Im temperatura pracy kolektora jest wyższa, tym większe są straty ciepła przez wypromieniowanie.