Kolektory słoneczne - płaskie czy próżniowe

Gwarantując oszczędność energii i relatywnie krótki okres zwrotu inwestycji, kolektory słoneczne szybko zdobyły popularność w gospodarstwach domowych, budynkach użyteczności publicznej i obiektach sportowych. Nic więc dziwnego, że łączna powierzchnia kolektorów różnych typów instalowanych w Polsce każdego roku dynamicznie wzrasta. Dostępność szerokiej gamy urządzeń, szybki montaż i opłacalność stosowania sprawia, iż stanowią one obecnie jedno z najlepszych rozwiązań dla zwolenników wykorzystywania odnawialnych źródeł energii.

Trochę fizyki…

Słońce jest źródłem nieograniczonej ilości energii. Prostą metodą wykorzystania tych zasobów jest konwersja promieniowania słonecznego na ciepło. Ze względu na dystans dzielący nasza planetę od Słońca, możliwe jest wykorzystanie tylko niewielkiej części mocy promieniowania, które dociera do Ziemi. W realiach polskich, możemy notować promieniowanie słoneczne na poziomie ok. 800 W/m² (maksymalnie nawet do ok. 1000 W). Oczywiście najlepsze warunki panują w bezchmurne dni latem. Zachmurzenie powoduje rozproszenie promieniowania i znacznie redukuje jego natężenie, nawet do wartości poniżej 100 W/m². Położenie geograficzne wpływa także na długość dnia, a co za tym idzie na czas, w jakim w ciągu doby możemy efektywnie wykorzystywać nasze kolektory. Warto wspomnieć, iż najwyższą sprawność pracy urządzenia osiągniemy, kiedy zapewnimy odpowiedni kąt padania promieni słonecznych – jest to 90°.

Kolektory słoneczne ©MAKROTERM

Jak działa kolektor słoneczny?

W zależności od danego rozwiązania konstrukcyjnego, możemy mieć do czynienia z wieloma indywidualnymi właściwościami i aspektami budowy kolektorów słonecznych. Generalna zasada, na której opiera się działanie każdego urządzenia jest jednak zawsze taka sama.

We wszystkich przypadkach kluczowe jest użycie odpowiedniego materiału absorbera, czyli powierzchni odpowiedzialnej za pochłanianie bezpośredniej i rozproszonej energii promieniowania słonecznego, a następnie jej przekazywanie w postaci ciepła do obiegu czynnika roboczego. Lepsze parametry pracy absorbera można osiągnąć dzięki zastosowaniu tzw. pokrycia selektywnego, które zapewnia dużą absorpcyjność fal promieniowania słonecznego. Pokrycia takie wytwarzane są często na bazie tlenków metali, takich jak chrom, molibden, kobalt, tytan. Popularnym materiałem jest czarna miedź i czarny chrom.

Natomiast medium robocze, przejmujące ciepło z absorbera, jest oparte na substancji przeciwdziałającej zamarzaniu. Najpopularniejszym związkiem wykorzystywanym w tym celu jest obecnie glikol propylenowy (w specyficznych aplikacjach spotyka się także oleje węglowodorowe czy silikonowe). Mieszanina glikolu i wody transportuje ciepło do magazynu (zbiornika akumulacyjnego), dzięki czemu pobrana energia może zostać wykorzystana w okresie zwiększonego zapotrzebowania, który najczęściej przypada na porę inną od tej, kiedy efektywność pracy kolektora jest największa.

Oprócz zagwarantowania wysokiego stopnia absorpcji promieniowania i efektywności transportu ciepła z absorbera, niezwykle ważne jest zapewnienie odpowiednio dobrej izolacyjności termicznej kluczowych elementów urządzenia. Pozwala to do minimum ograniczyć utratę pochłoniętej energii do otoczenia. W tym celu stosuje się materiały łączące w sobie dostatecznie wysoką przepuszczalność i opór cieplny. W niektórych przypadkach rozwiązaniem jest paradoksalnie brak materiału. Możliwe jest bowiem wykorzystanie dobrych właściwości izolujących próżni.

Sterowanie pracą systemu

Centrum układu kolektorów jest kontroler, analizujący odczyty wartości temperatur, mierzonych w istotnych punktach instalacji (np. wejście/wyjście kolektora oraz zasilanie zbiornika akumulacyjnego i powrót do kolektora, temperatura wody w zbiorniku, temperatura otoczenia). Dzięki takiemu rozwiązaniu, kolektory są wykorzystywane optymalnie oraz tylko w czasie, kiedy intensywność promieniowania zapewnia możliwość czerpania energii.

Zastosowanie

Kolektor płaski ©MAKROTERM

Kolektory słoneczne znajdują zastosowanie przede wszystkim w układach wspomagania i samodzielnego przygotowania ciepłej wody użytkowej. Rzadziej współpracują z niskotemperaturowymi systemami ogrzewania. Spotykane są także aplikacje, pozwalające m.in. na utrzymanie pożądanej minimalnej temperatury wody w basenach.

System kolektorów w połączeniu ze zbiornikiem, wyposażonym w dwie wężownice (tzw. zbiornik biwalentny) gwarantuje znaczne oszczędności energii w procesie przygotowywania CWU. Podczas efektywnej pracy kolektora słonecznego, zbiornik CWU jest zasilany jedynie przez to urządzenie, a podstawowa jednostka grzewcza (np. kocioł CO) nie musi być wykorzystywana.

Warto zaznaczyć, że w okresie letnim efektywność pracy systemu opartego na kolektorach wzrasta tak bardzo, iż zagospodarowanie zmagazynowanej ilości energii promieniowania słonecznego może stać się problemem.

Ważne parametry techniczne instalacji

Jednym z parametrów, na które należy zwracać uwagę podczas projektowania instalacji z kolektorami słonecznymi jest wskaźnik pokrycia solarnego. Informuje on, jaką część energii niezbędnej na pokrycie zapotrzebowania gospodarstwa domowego, jest w stanie zapewnić dany system kolektorów. Wartość parametru odnosi się do jednostki czasu – najczęściej jest to rok.

Do prawidłowego zaprojektowania instalacji solarnej niezbędna jest także znajomość innych wielkości, w tym m.in. obliczeniowego zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową, pojemności zasobnika czy ogólnego zapotrzebowania na ciepło w miesiącach letnich. Warto zwrócić uwagę na temperaturę stagnacji, do której maksymalnie może nagrzewać się czynnik roboczy w danym kolektorze. Jeżeli bowiem parametr ten będzie miał zbyt wysoką wartość, w momencie przegrzania kolektora płyn może utracić swoje właściwości, a kolektor ulec uszkodzeniu.

Podział kolektorów

Ogólna klasyfikacja kolektorów słonecznych może opierać się na różnorodnych kryteriach. W praktyce, w typowych aplikacjach, związanych z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej i niskotemperaturowymi systemami ogrzewania, wyróżnia się kolektory płaskie (wśród nich spotykane są rozwiązania cieczowe, gazowe i dwufazowe), płaskie-próżniowe oraz rurowo-próżniowe, często nazywane po prostu kolektorami próżniowymi.

Kolektory płaskie

Kolektor próżniowy ©MAKROTERM

Kolektory płaskie, w porównaniu do rurowopróżniowych, są urządzeniami o prostszej budowie. W zależności od producenta różnią się tylko szczegółami technicznymi. Rurki miedziane w kolektorach płaskich połączone są z absorberem za pomocą spoin. Istnieje kilka sposobów ułożenia ich pod absorberem. Najpopularniejszy to tzw. harfy – kilkanaście rurek biegnie tu równolegle. Inne stosowane rozwiązanie to meandra. W tym przypadku rozkład temperatur na powierzchni absorbera jest bardziej równomierny.

Absorber pokryty powłoką selektywną może być zaopatrzony dodatkowo w warstwę przeciwodbiciową. Dobrej jakości szkło antyrefleksyjne powinno charakteryzować się odbiciem promieniowania słonecznego rzędu kilku procent. Niektórzy producenci stosują w kolektorach płaskich szybę pryzmatyczną, dodatkowo zwiększająca wydajność konwersji energii i wpływającą pozytywnie na estetykę urządzenia. Oczywiście zewnętrzna szyba zawsze stanowi barierę zabezpieczającą. Co istotne, za nadanie wymaganych własności mechanicznych odpowiada również obudowa, wykonana przeważnie z aluminium. Kolektory płaskie charakteryzują się zwartą konstrukcją w postaci prostokątnych płyt.

Kolektory rurowe-próżniowe

Forma geometryczna kolektorów rurowo-próżniowych ma związek z zastosowaną techniką izolacji termicznej. Barierą przeciwdziałającą utracie ciepła jest tu próżnia. Rurowy kształt poszczególnych modułów wchodzących w skład kolektora wynika z faktu, iż właśnie taka postać ułatwia zachowanie szczelności, a więc odpowiedniego podciśnienia wewnątrz rur.

Tuby próżniowe zbudowane są z dwóch szklanych rur wsuniętych centrycznie w siebie. Wewnętrzną rurę, przez która przepływa medium, pokrywa się warstwą absorpcyjną. Stosuje się też rozwiązanie, polegające na umieszczeniu dopiero w wewnętrznej rurze rurek z medium. Zapewnia to jeszcze lepszą izolację, ale technologicznie jest bardziej skomplikowane. Zewnętrzna osłona musi być odporna na czynniki mechaniczne.

Zaletą kolektorów rurowo-próżniowych jest fakt, iż w przypadku wielu produktów, możliwe jest obracanie rurek kolektora, co znacznie ułatwia ich optymalne ustawienie względem Słońca. Z taką sytuacją mamy do czynienia m.in. w przypadku kolektora Vitosol 200-T (Viessmann), który ponadto, dzięki zastosowaniu nowej konstrukcji rurki cieplnej (ang. heat pipe) o stałej średnicy wewnętrznej, może być położony nawet bezpośrednio na płaskim dachu, lub zamocowany na pionowej elewacji budynku.

Mateusz Szubel
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Energetyki i Paliw

Zdaniem ekspertów

Czy kolektor nadaje się do integracji z innymi źródłami ciepła poza kotłem CO?

Ogrzewanie solarne można integrować z różnymi typami źródeł ciepła, które będą pracować na rzecz jednej instalacji grzewczej. Integracja ta w większości przypadków następuje przez zbiornik buforowy, do którego podłączane są wszystkie źródła ciepła, m.in. kolektory słoneczne. Dzięki temu możliwe jest gromadzenie ciepła w buforze z różnych źródeł, a następnie przekazywanie go do obiegów grzewczych, np. centralnego ogrzewania, ogrzewania podłogowego czy ogrzewania ciepłej wody użytkowej.

Trwałość urządzeń grzewczych oferowanych obecnie na rynku można oszacować na 8–20 lat, w zależności od rodzaju źródła ciepła. Warto pamiętać, że duży wpływ na ich żywotność ma sposób użytkowania pod kątem np. jakości paliwa czy utrzymywanych parametrów pracy.

Dominik Litwiński
dyrektor handlowy Makroterm

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 01/2013
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl

Jak radzić sobie z nadmiarem ciepła uzyskiwanego latem?

Nadmiar ciepła z kolektorów może prowadzić do przegrzewów, czyli zagotowania płynu solarnego w kolektorach. Przy właściwie zaprojektowanej instalacji solarnej takie sytuacje nie wystąpią lub zdarzają się rzadko, np. podczas urlopu letniego. Warto wiedzieć, że kolektory i instalacje są odporne na przegrzewy.

Z nadmiarem ciepła można poradzić sobie na kilka sposobów. Skuteczne, chociaż mało komfortowe, będzie zasłonięcie kolektorów plandeką nieprzepuszczającą promieni słonecznych. Inny sposób to wykorzystanie funkcji regulatora instalacji solarnej, tzw. chłodzenie odwrócone. W ciągu dnia kolektory ogrzewają wodę użytkową w zbiorniku, np. dopuszczalna temperatura wody w zbiornikach Vitocell wynosi 95°C, a ciśnienie 10 bar. Jeśli temperatura w zbiorniku jest za wysoka, w nocy kolektory działają jak chłodnica, odprowadzając nadmiar ciepła do atmosfery. Taką funkcję można wykorzystać tylko w kolektorach płaskich.

Krzysztof Gnyra
konsultant firmy VIESSMANN