Podział kolektorów słonecznych

Kolektory słoneczne są najpopularniejszą formą odzysku ciepła z promieniowania słonecznego. Są to specjalne wymienniki ciepła, w których występuje przetwarzanie promieniowania słonecznego na ciepło (konwersja termiczna). Stosowane są przeważnie w calach grzewczych w szerokim zakresie. Do podstawowych zadań kolektorów jest przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Jak wiadomo zapotrzebowanie na CWU jest przez cały rok takie samo i jest dość łatwo obliczyć, jakie korzyści przyniesie inwestycja w instalację solarną z kolektorami. W krajach gdzie temperatury są dość znaczne kolektory mogą być używane jako podstawowe urządzenie grzewcze w celach CWU. Na przykładzie Polski, okresem dla którego inwestycja do odbioru darmowej energii słonecznej jest najbardziej opłacalna są miesiące od kwietnia do września – w tych miesiącach na znacznym obszarze naszego kraju odzysk ciepła poprzez instalacje z kolektorami pozwala w 100% zapewnić ciepłą wodę każdego dnia.

Istnieje kilka podziałów kolektorów m.in. ze względu na konstrukcję, rodzaj wykorzystanego czynnika roboczego oraz przeznaczenia kolektorów.

 

Do najpopularniejszych z wymienionych należą kolektory płaskie oraz próżniowe rurowe. Są one najczęściej stosowanymi urządzeniami do ogrzewania budynków wykorzystując darmową energię słoneczną.

Drugi podział kolektorów istnieje ze względu na temperaturę czynnika roboczego:

• niskotemperaturowe (temperatura czynnika roboczego do 100 oC – kolektory płaskie)
• średniotemperaturowe temperatura czynnika roboczego 30 – 270 oC – kolektory próżniowe)
• wysokotemperaturowe (temperatura czynnika roboczego 20 – 3000 oC – kolektory skupiające)

KOLEKTORY PŁASKIE

Kolektor jest sercem całej instalacji solarnej, to do niego docierają promienie słoneczne i zostają pochłonięte do wnętrza kolektora, gdzie następnie ogrzewają czynnik roboczy. Kolektor płaski składa się z:

• Przeźroczystej pokrywy (szyba solarna) wykonanej najczęściej ze szkła, rzadko są stosowane pokrywy wykonane z tworzyw sztucznych z powodu ich niskiej wytrzymałości na wysokie temperatury i podatność na zarysowania, które obniżają przepuszczalność promieni słonecznych. Obecnie wykorzystuje się szyby o nazwie Diamat, w których przepuszczalność światła wynosi 91%. Poniżej przedstawiono wykaz materiałów stosowanych na pokrycie kolektorów słonecznych. W warunkach dużych obciążeń atmosferycznych takich jak wiatr, deszcz, grad i parcie śniegu wytrzymałość pokrycia absorbera powinna wynosić przynajmniej 750 N/m^2. Materiał pokryciowe powinny być łatwe w obróbce, małej nasiąkliwości, dobrej zmywalności. Najpopularniejszym i najtwardszym materiałem pokrycia kolektorów jest szkoło hartowane i budowlane, ich żywotność wynosi ok. 50 lat oraz teflon (20 lat). Szyba solarna musi charakteryzować się odpornością na termiczne naprężenia oraz wysokim współczynnikiem przepuszczalności, który związany jest z zawartością żelaza, które nie powinno być wyższe niż 5-7%, w porównaniu do zwykłych szyb stosowanych w oknach posiadających w swoim składzie żelazo w ilości 92%. Dodatkowym czynnikiem decydującym o jakości pokrycia jest jego hermetyczność, aby straty ciepła całego kolektora były ograniczone do minimum. Z racji tego ze płyta pokrycia kolektora ma największa powierzchnię straty w przypadku tego elementu będą bardzo duże

 

• Absorber – główny element kolektora słonecznego. Wykonany z metalu dobrze przewodzącego ciepło, najczęściej z cienkiej blachy bądź taśm miedzianych, do których przymocowane są rurki przepływowe. Dodatkowo absorber pokryty jest substancjami tworzącymi jego powłokę tzw. Warstwę absorpcyjną. Warstwa taka może być wykonana z chromu galwanicznego, wcześniej przy pomocy niklu wytwarza się obustronną warstwę antykorozyjną. Absorber może posiadać powłokę nieselektywną (dobrze absorbuje ciepło, ale także dużo go emituje) lub powłokę selektywną (również dobrze absorbuje ciepło przy ograniczonej jego emisji na zewnątrz). Powłoka selektywna umożliwia uzyskać znaczne wartości temperatur dochodzące nawet do 150-200 *C.

 

• Wymiennik ciepła – rolę wymiennika ciepła najczęściej pełni zestaw miedzianych rurek połączonych ze sobą i odpowiednio przymocowanych do absorbera. Miedziane rurki najczęściej przymocowane są do blachy absorbera poprzez lutowanie wzdłuż linii styku. Innym rozwiązaniem na zwiększenie powierzchni styku wymiennika ciepła z absorberem jest stosowanie spłaszczonych rurek które umieszcza się w rowkach specjalnie do tego celu przygotowanych. W zależności od wielkości przepływu układ wymiennika jest różny. Poniżej przedstawiono dwa rodzaje wymienników do przepływu dużego i małego:

 

• Izolacja i obudowa – obudowa najczęściej wykonana z aluminiowych elementów spawanych, bądź wyprofilowanej wytłoczki. Za materiał izolacyjny chroniący całą konstrukcję kolektora przed utratą ciepła powinien służyć materiał o niskim współczynniku przewodzenia ciepła i o małej gęstości. Najczęstszym stosowanym do tego celu materiałami są: styropian, płyta piankowa, płyta z wełny mineralnej. Odpowiedni materiał izolacyjny powinien odznaczać się również odpornością na temperaturę i czynniki atmosferyczne, niezmienną objętością i dużą wytrzymałością mechaniczną. Rama kolektora ma znaczenie w bezpiecznym i długoletnim użytkowaniu. Musi być ona lekka a zarazem odporna na działanie czynników atmosferycznych, najczęściej zbudowana jest z aluminium, stali nierdzewnej i tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknami szklanymi.

Przekrój poprzeczny przez kolektor płaski:

 

 

 

 

 

 

 

Dzięki powłoce selektywnej pokrytej czarnym chromem straty promieniowania docierającego do powierzchni kolektora są znacznie mniejsze od 15 do 20 % w porównaniu z kolektorami z powierzchniami z czarnym lakierem. Ważnym elementem kolektorów płaskich jest ułożenie i przekrój rur i kanalików wewnątrz obudowy kolektora. Stosowane są dwa podstawowe rodzaje ułożenia przewodów z cieczą wewnątrz kolektora

• Ułożenie meandryczne (a)
• Ułożenie równoległe (b)

Sposób ułożenia rurek pokazany na rys a przeznaczony jest dla małych przepływów cieczy (tzw. „low flow”), z racji tego, że czynnik roboczy przesuwa się wolniej jego temperatura osiąga większa wartość. Jednak wąska średnica przewodu przepływowego i znaczne opory powodują potrzebę zastosowania pompy obiegowej o wyższym ciśnieniu tłoczenia.

Ułożenie równoległe (a) stosuje się najczęściej w instalacjach grawitacyjnych z powodu małego oporu czynnika, którego droga przepływu nie ogranicza się tylko do jednego kanaliku.

Moduł kolektora płaskiego ma powierzchnię od 1 do 2 m2. Moduły takie mogą był łączone szeregowo lub równolegle po to, aby uzyskać odpowiednią powierzchnię roboczą całej instalacji.

KOLEKTORY PRÓŻNIOWE

Kolektory próżniowe są bardziej nowoczesne w porównaniu do kolektorów płaskich. Charakteryzują się jak sama nazwa wskazuje wykorzystaniem próżni, jako najlepszego dostępnego materiału izolacyjnego połączonego razem z zaletami technologii kolektorów płaskich.

Podstawowym elementem odróżniającym kolektor plaski od próżniowego jest to że w tym drugim zamiast przewodu z czynnikiem znajdują rury o podwójnej ściance których końce są stopione i przypominają termos. Rura w kolektorze próżniowym może osiadać średnicę w granicach 65-100mm. Próżnia pomiędzy rurkami spełnia rolę idealnego izolatora cieplnego i chroni przed wymianą cieplną energii zgromadzonej w absorberze z otoczeniem.

W przypadku kolektorów próżniowych istnieją ich dwa rodzaje:

• Z przepływem bezpośrednim czynnika solarnego
• Heat-Pipe – zasada rurki cieplnej

Kolektor próżniowo-rurowy z przepływem bezpośrednim czynnika solarnego

Połączenie zasilania i powrotu w rurach z przepływem bezpośrednim

W tego typu kolektorach nośnik ciepła przepływa przez zasilanie i powrót bezpośrednio w rurach próżniowych. Cały proces ogrzewania czynnika solarnego polega na przepływie wewnątrz środkowej rury zimnego płynu, który przepływając przez całą długość absorbera odbiera od niego energię cieplną i wraca poprzez powrót w rurze zewnętrznej wymiennika ciepła. Ruty są tak skonstruowane, że ich obrót w kierunku osiowym nie powoduje zaprzestania pracy kolektora, jednakże odpowiednie ułożenie absorbera w stosunku do padania promieni słonecznych jest bardzo ważny. Idealnym rozwiązaniem jest takie sterowanie obrotem rur kolektora, aby płaszczyzna absorbera była ustawiona do padających promieni słonecznych pod kątem 90 stopni. Z tego względu kolektory próżniowe rurowe posiadają większe możliwości w zakresie ich montażu.

Przykład montażu kolektorów rurowych na poręczach balkonu

KOLEKTORY TYPU HEAT-PIPE

W kolektorach tych w środku rur szklanych znajduje się tzw. rurka cieplna, (ciepłowód, heat pipe) w której znajduje się ciecz, która paruje w niskich temperaturach ok. 27 oC

Pojedyncza rura kolektora typu Heat pipe

Poprzez oddawanie ciepła przez absorber cieczy zgromadzonej w rurce, następuje jej parowanie w ten sposób, aby ciepła para uniosła się do wysokości kondensatora, któremu oddaje ciepło przez co ulega skropleniu i wraca na dno rurki ciepła. Proces ulega powtarza się do momentu aż temperatura absorbera będzie na tyle wysoka, aby ciecz w rurce mogła ulec odparowaniu.

W kolektorze znajduje się ciekły nośnik transportujący ciepło do instalacji solarnej odbierający energię cieplną. Kondensator połączony z rurkami, w których parująca ciecz oddaje ciepło

Kolektory próżniowe są bardziej wydajne od kolektorów płaskich, jednak trzeba się liczyć z większymi kosztami ich zakupu. Zaletą tych kolektorów jest również to, że w przypadku awarii lub stłuczenia jednej z rur nie następuje zaprzestanie działania całego kolektora, zmniejsza się jedynie jego wydajność o moc dostarczoną przez uszkodzoną rurę. Wymiana niesprawnego elementu jest bardzo prosta polegająca jedynie na zamianie uszkodzonej rury.

Na rynku spotkać można wielu producentów tego typu kolektorów jak również produkty typu „no name” produkowane z gorszych materiałów a z racji wykorzystania w kolektorach rurowych technologii z próżnią należy brać pod uwagę tylko producentów, których wykonanie kolektorów stoi na najwyższym poziomie jeśli chodzi o jakość. W porównaniu z kolektorami płaskimi niekoniecznie muszą odznaczać się wyższą sprawnością i wydajnością. Cały sekret wydajności kolektorów próżniowych tkwi w szklanej rurze, z których kolektora składa się jako całość.

Według porównania wydajności dwóch rodzajów kolektora nie można jednoznacznie stwierdzić, który z nich odznacza się lepszym pochłanianiem promieniowania słonecznego. Kolektory płaskie dominują w wydajności w miesiącach letnich (maj – sierpień) gdyż słońce znajduje się wysoko nad horyzontem i kąt padania promienia na kolektora jest również duży. Z kolei w miesiącach zimowych dominują kolektory próżniowe. Potrafią one pochłaniać znacznie więcej promieniowania słonecznego w dni w których słońce jest ukryte za chmurami i do powierzchni ziemi dociera w większości promieniowanie rozproszone, kąt padania promieni ma również mniejsze znaczenie niż w przypadku kolektorów płaskich oraz jedna z najważniejszych zalet i wyższości próżniowych rur to mniejsze prawdopodobieństwo pokrycia całej ich powierzchni przez padający śnieg. Gdy opady śniegu osiądą na szkle kolektora płaskiego jego wydajność spada do zera a jedyną możliwością poprawy tego stanu jest usunięcie pokrywy śniegu.

ZASTOSOWANIE KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH

Kolektory słoneczne nadają się zarówno dla domów jednorodzinnych jak i wielorodzinnych, stosowany jest ten sam osprzęt instalacyjny w obu przypadkach. W zależności od potrzeb powierzchnia absorbera musi być odpowiednia dla zapewnia ciepłej wody lub/i ogrzewania budynku. Kolektory mogą stać się uzupełnieniem istniejącego systemu ogrzewania poprzez niewielkie modernizacje całej instalacji można wspomóc np. kocioł gazowy zasilający niskotemperaturowe źródła ciepła takie jak ogrzewanie podłogowe. Ważnym jest, aby po przeprowadzonych pracach włączenia instalacji kolektorów do istniejącego systemu grzewczego nie okazało się że spadła jakość dostarczana ciepła przez dotychczasowe źródła bo cała inwestycja w kolektory stanie się nieopłacalna a w najgorszych wypadkach może prowadzić do zwiększonych kosztów eksploatacji. Częstymi przypadkami wykorzystania kolektorów jest przygotowanie ciepłej wody. Woda może być przygotowywana nawet w warunkach pochmurnego nieba. Przy niespełnieniu potrzeb użytkowników budynku w kwestii ciepłej wody istnieje możliwość dogrzania jej ze źródła konwencjonalnego (np. przy pomocy podgrzewacza elektrycznego).

Instalacje solarne mogą pracować jak główne i jedyne źródło ciepła, w przypadku podgrzewania wody im jest większa ich wydajność tym szybciej woda uzyska wymaganą temperaturę. Czas ogrzewania wody zależy również od pojemności zasobnika wody. System kombi, czyli połączenia ogrzewania budynku z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej również jest stosowane w budynkach, jednak wydajność takich instalacji solarnych musi być wysoka dla spełnienia jednocześnie wymogów cieplnych CWU oraz ogrzewania.

Przy doborze instalacji z kolektorami słonecznymi najważniejszymi czynnikami decydującymi o ich wielkości i złożoności są indywidualne potrzeby inwestorów, komfort temperaturowy, koszty eksploatacji i jeszcze wiele innych.

Aby odpowiednio zwymiarować i dobrać instalację musi być znane zapotrzebowanie na energię cieplną dla przygotowania CWU oraz energię do celów grzewczych. Podstawowym parametrem przy obliczaniu instalacji solarnej jest ilość energii potrzebnej do przygotowania CWU z racji tego ze jest to parametr nieznacznie zmieniający się w ciągu roku, a jego udział w całkowitym zaopatrzeniu budynku w energię z promieni słonecznych może sięgać nawet 70%.

Samo ułożenie paneli kolektorów jest ważną kwestią, bo od prawidłowego doboru miejsca, na które będzie padać najwięcej promieniowania słonecznego i które będzie najmniej zasłonięte przez różnego rodzaju przeszkody zależy ile energii zostanie pochłonięte przez absorber.

Do najpopularniejszych miejsc dla kolektorów należą:

• Kolektory nadbudowane na dachu (a)
• Kolektory wbudowane w dach (b)
• Kolektory usytuowane na płaskim dachu za pomocą specjalnych konstrukcji (c)
• Kolektory przymocowane do ścian budynku