Zalety kolektorów słonecznych

Rosnące ceny energii wytwarzanej w tradycyjnych źródłach ciepła wpływają na wzrost popularności alternatywnych sposobów pozyskiwania energii. Bardzo często wykorzystywaną metodą obniżenia kosztów eksploatacyjnych budynku jest zastosowanie kolektorów słonecznych.

Kolektory słoneczne są urządzeniami przetwarzającymi energię promieniowania słonecznego w ciepło, które za pośrednictwem czynnika roboczego (roztwór wodny glikolu) jest przekazywane dalej. Przekazywanie to odbywa się w specjalnej wężownicy, schłodzona ciecz solarna pompowana jest z powrotem do kolektorów (zamykając w ten sposób obieg), a zasobnik ciepłej wody gromadzi podgrzaną wodę do późniejszego użycia. Nad prawidłową pracą układu czuwa grupa solarna, która odpowiada m.in. za automatyczną regulację prędkości przepływu czynnika oraz ochronę instalacji przed przegrzewaniem i zamarzaniem. Zbudowany w taki sposób układ solarny może podgrzewać ciepłą wodę użytkową, wspomagać działanie instalacji grzewczej, a w przypadku nadmiaru ciepła – służyć również do ogrzewania wody basenowej lub regeneracji dolnych źródeł ciepła pompy ciepła.

Kolektory słoneczne płaskie i próżniowe

Kolektory słoneczne różnią się między sobą budową i zasadą działania, a co za tym idzie – sezonową wydajnością konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło oraz ceną.

Największą popularnością cieszą się obecnie kolektory płaskie. Ich podstawowym elementem jest absorber w kształcie prostokątnej płyty, który pochłania padające na urządzenie promienie słoneczne. Promienie te przekształcane są w ciepło, a następnie przekazywane do miedzianych przewodów wypełnionych niezamarzającym czynnikiem roboczym. W skład kolektorów płaskich wchodzi także pokrycie przezroczyste (szyba solarna), chroniące absorber przed stratami cieplnymi do atmosfery, izolacja cieplna zapobiegająca stratom przez obudowę oraz obudowa zewnętrzna. Kolektory płaskie cechuje prosta konstrukcja i stosunkowo niska cena. Rozszerzeniem standardowo wykorzystywanych rozwiązań są kolektory płaskie próżniowe, które dzięki zastosowaniu próżni posiadają nieco wyższą sprawność.

Z kolei wyższą średnioroczną sprawnością od kolektorów płaskich, odznaczają się kolektory rurowe próżniowe. Kolektory tego typu zbudowane są z połączonych ze sobą kilku lub kilkunastu walcowatych, wydłużonych rur szklanych. Bardziej skomplikowana budowa przekłada się na lepsze parametry cieplne, wyższy uzysk energii i niestety wyższą cenę.

Kolektory próżniowe mogą odbierać ciepło z absorbera na dwa sposoby:

• Bezpośredni, charakteryzujący się bezpośrednim przepływem cieczy solarnej przez kolektor. W tego typu rozwiązaniach płyn solarny przepływa przez rurkę połączoną z absorberem, nagrzewa się, a następnie powraca do rury zbiorczej.
• Pośredni, realizowany w kolektorach typu heat pipe. Urządzenia te zbudowane są z szeregu elementów zawierających dwie koncentryczne rury, pomiędzy którymi występuje próżnia. Rura wewnętrzna, czyli tzw. rurka cieplna, pokryta jest warstwą silnie absorbującą energię słoneczną oraz wypełniona czynnikiem wrzącym przy niskiej temperaturze. W czasie ogrzewania rurki temperatura czynnika wzrasta, powodując jego wrzenie i zmianę stanu ciekłego w stan parowy. Para unosi się do górnej końcówki, gdzie na skutek oddania ciepła przepływającej cieczy (roztwór wodny glikolu) ulega skropleniu i spływa z powrotem w dół rurki. Po czym cały proces powtarza się od początku.

Dlaczego warto

Istnieje wiele powodów, dla których warto stosować kolektory słoneczne. Do największych zalet układów solarnych zalicza się obniżenie kosztów przygotowania ciepłej wody użytkowej, pozyskiwanie darmowej energii z otoczenia oraz częściowe uniezależnienie się od rosnących kosztów energii wytwarzanej z paliw kopalnych.

Zalety stosowania kolektorów słonecznych:

• Energia promieniowania słonecznego jest darmowym i niewyczerpywalnym źródłem ciepła. Mimo iż nasłonecznienie w Polsce jest mniejsze niż np. w krajach południowych, w zupełności wystarcza do efektywnego stosowania kolektorów słonecznych. Najbardziej uprzywilejowanym rejonem Polski jest południowa część województwa lubelskiego, gdzie średnioroczna wartość natężenia promieniowania słonecznego przekracza 1048 kWh/(m²•rok). Ponad 50 proc. terytorium naszego kraju charakteryzuje się natężeniem promieniowania słonecznego na poziomie 1022-1048 kWh/(m²•rok), a uwzględniając cały obszar Polski można przyjąć, że średnia wartość wynosi ok. 990 kWh/(m²•rok) ±10 proc. Dobrze zaprojektowana i zamontowana instalacja pokrywa w takich warunkach 50-60 proc. rocznego zapotrzebowania na ciepło potrzebne do wytworzenia ciepłej wody użytkowej.
• Solarny stopień pokrycia na poziomie 50-60 proc., pozwala niemal dokładnie o taką wartość obniżyć koszty związane z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej. W zależności od rodzaju wcześniej stosowanego źródła ciepła, wielkości gospodarstwa domowego i związanego z tym zapotrzebowania na ciepłą wodę, zastosowanie kolektorów może dać od kilkuset do nawet kilku tysięcy rocznych oszczędności kosztów przygotowania ciepłej wody użytkowej i ogrzewania budynku.
• Urządzenia te odznaczają się także łatwością integracji z instalacją oraz wspomaganiem innych systemów w budynku. Systemy solarne mogą pracować wyłącznie jako układy do przygotowania ciepłej wody użytkowej albo służyć równocześnie do wspomagania innych systemów technicznych w budynku. W sprzyjających warunkach możliwe jest częściowe dogrzewanie wody w instalacji centralnego ogrzewania, co generuje dalsze oszczędności kosztów eksploatacyjnych. Ponadto, nadmiar ciepła w okresie letnim może zostać spożytkowany na ogrzanie wody w basenie oraz – w przypadku stosowania pomp ciepła – regenerację dolnych źródeł ciepła, wychłodzonych w okresie zimowym. Połączenie kolektorów słonecznych z pozostałą częścią instalacji jest bardzo proste i z reguły dokonywane przez zastosowanie zbiorników buforowych z wężownicą lub nowoczesnych zbiorników kombinowanych (konstrukcje typu „zbiornik w zbiorniku”).

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 01/2012
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl

Wymienione wyżej zalety stosowania systemów solarnych potwierdzeniem tego, że inwestycja w kolektory słoneczne wydaje się opłacalna. Nie zmienia tego fakt, iż podobnie jak w prawie każdym przypadku, istnieją pewne minusy związane z wykorzystaniem tego typu urządzeń (m.in. wspomniane wcześniej wysokie koszty inwestycyjne, stosunkowo silne uzależnienie od warunków pogodowych, podatność na korozje materiałów konstrukcyjnych oraz zamarzanie czynnika roboczego). W ostatecznym rozrachunku zalety przewyższają jednak w znaczny sposób wady, czyniąc kolektory słoneczne dobrym rozwiązaniem dla budynków jedno- i wielorodzinnych.

W przyszłości znaczenie kolektorów słonecznych wzrośnie jeszcze bardziej w związku z wprowadzeniem w życie zapisów Dyrektywy 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. Stanowi ona między innymi o tym, że wszystkie nowe budynki powinny być do dnia 31 grudnia 2020 r. budynkami o niemal zerowym zużyciu energii, czyli wykazywać bardzo niski wskaźnik zużycia energii.

Krzysztof Sornek

Wydział Energetyki i Paliw
Akademia Górniczo-Hutnicza