Kolektory słoneczne – dodatkowe źródło ciepła. Absorpcja wskazana

Kolektory słoneczne umieszczone na wolnym powietrzu pracują w różnych warunkach atmosferycznych (wysokie i niskie temperatury, opady deszczu, śniegu czy gradu, silne napory wiatru). Trudne warunki, w jakich pracują kolektory słoneczne, wymagają zastosowania najwyższej jakości materiałów i specjalnej konstrukcji, aby zagwarantować długi okres eksploatacji, przekraczający 20 lat. Ilość pozyskiwanego przez kolektory słoneczne ciepła uzależniona jest od budowy kolektora, zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych oraz materiałów.

Podstawa to absorber Najważniejszym elementem kolektora słonecznego jest absorber. Wykonany jest najczęściej w formie blachy z miedzi lub aluminium, pokrytej powłoką pochłaniającą promieniowanie słoneczne. Powłoka ta wykonana jest na bazie tlenków tytanu lub czarnego chromu. Powłoki tak zwane selektywne (takie jak np. TinoX, Sunselect, BlueTec) stosowane są powszechnie z uwagi na niższą wartość emisji promieniowania cieplnego oraz większą od czarnego chromu odporność na starzenie się (obniżenie skuteczności pochłaniania promieniowania) w trakcie eksploatacji kolektora. W niektórych kolektorach próżniowych absorber nanoszony jest na powierzchnię szklanej rury próżniowej. Stosowanie miedzi jako najpowszechniejszego materiału do budowy absorbera jest uzasadnione najwyższą przewodnością cieplną. Pod blachą absorbera znajdują się rurki miedziane, przez które tłoczona jest ciecz solarna. Odbiera ona ciepło zgromadzone przez blachę absorbera i transportuje w kierunku odbiornika ciepła, np. podgrzewacza ciepłej wody użytkowej lub bufora ciepła. Rury uformowane są najczęściej w kształcie harfy, meandra lub harfy podwójnej.

Najskuteczniejszy odbiór ciepła z całej jego powierzchni zapewnia absorber z rurkami w formie podwójnej harfy. W kolektorach z meandrem tworzą się strefy o podwyższonej temperaturze, co obniża wydajność kolektora. W kolektorach z podwójną harfą ruch cieczy przez rurki jest wymuszony, co wpływa na równomierność przepływu, a ciecz w porównywalnych warunkach pracy posiada temperaturę o ok. 17% wyższą niż w absorberze meandrowym (rys. 1).

Obudowy Obudowa kolektora płaskiego powinna mieć sztywną i trwałą konstrukcję, odporną na naciski spowodowane np. wiatrem czy zaleganiem śniegu. Obudowa winna być szczelna, to jest zabezpieczać przed wnikaniem wilgoci do wnętrza kolektora w trakcie opadów deszczu czy topnienia śniegu. Składa się ona najczęściej z kilku łączonych elementów, co w efekcie prowadzi do niepotrzebnych strat ciepła. Możemy jednak spotkać również kolektory, których obudowa wykonana jest z włókna szklanego w kształcie wanny, o jednolitej konstrukcji (bez połączeń). Takie rozwiązanie zapewnia dużą szczelność i nie ma obawy, że z biegiem lat połączenia mogą ulec uszkodzeniu (rys. 2).

Szczelność kolektora jest głównym parametrem kolektora decydującym o jego sprawności. Zdarzające się zawilgocenia izolacji cieplnej prowadzą do obniżenia jej własności izolacyjnych, a co za tym idzie – do spadku sprawności kolektora.

Obudowa musi również umożliwić skuteczną wentylację wnętrza kolektora. Wentylacja zapewnia wyrównanie ciśnień pomiędzy wnętrzem kolektora a otoczeniem, czyli tak zwane „oddychanie” kolektora i dzięki temu usuwanie wilgoci z jego wnętrza. W nowo zamontowanych kolektorach może się zdarzyć zaparowanie szyby – jest to zjawisko naturalne spowodowane między innymi odparowaniem wilgoci z izolacji cieplnej. Również podczas normalnej eksploatacji kolektora szyba może zaparować, gdyż występują znaczne różnice temperatur pomiędzy wnętrzem kolektora a otoczeniem, a również izolacja pochłania i oddaje wilgoć zawartą we wnętrzu kolektora. Częste i długotrwałe zaparowanie szyby kolektora płaskiego może być spowodowane jego nieskuteczną wentylacją naturalną i niskimi temperaturami pracy, najczęściej w niedowymiarowanych instalacjach.

Szyby Szyba solarna kolektora wykonana jest z bezpiecznego szkła hartowanego. Musi być ono odporne na uderzenia mechaniczne (np. gradobicie) oraz zapewniać promieniom słonecznym jak najłatwiejsze dotarcie do absorbera. W kolektorach próżniowych rolę tę spełniają zazwyczaj rury szklane o pojedynczej ściance. Można spotkać rozwiązania, w których rury próżniowe mają dwie warstwy szkła – zmniejsza to straty ciepła, jednak podwójna warstwa szkła ogranicza ilość promieniowania słonecznego docierającego do absorbera. Ich sprawność optyczna podczas normalnej eksploatacji kolektorów o podwójnym przeszkleniu jest niższa niż kolektorów z pojedynczą rurą szklaną.

Sprawności Sprawność kolektora słonecznego jest parametrem, za pomocą którego najłatwiej porównać wydajność kolektorów różnych producentów. Mają na nią wpływ materiały użyte do budowy kolektora i zastosowane rozwiązania techniczne.

Charakterystycznym parametrem każdego kolektora jest jego sprawność optyczna, która mówi o skuteczności przedostawania się promieni słonecznych przez przykrycie szklane (szybę) do absorbera i jego zdolności do pochłaniania promieniowania. Sprawność optyczna określana jest przy braku strat ciepła między kolektorem a otoczeniem – gdy temperatura absorbera równa jest temperaturze otoczenia. W rzeczywistych warunkach zawsze występują straty ciepła i dlatego sprawność kolektora w czasie normalnej pracy jest niższa od optycznej. Straty ciepła określane są za pomocą współczynników strat liniowych Q1 i nieliniowych Q2 i wyznaczane są w trakcie badań kolektorów w powołanych do tego celu laboratoriach (instytutach).

Współczynnik Q1 odgrywa zasadniczą rolę dla sprawności kolektora w okresie letnim, przy niskich różnicach temperatur między płytą absorbera i otoczeniem kolektora (w tzw. porze ciepłej, od kwietnia do września). W miesiącach „zimnych” (od października do marca) decydującą rolę dla sprawności kolektora odgrywa współczynnik Q2. Im niższe wartości współczynników, tym kolektor będzie osiągał wyższą sprawność.

Niezależne instytuty badają kolektory słoneczne pod względem jakości, wytrzymałości i wydajności. Badania prowadzone są w oparciu o normę EN 12975 (PN-EN 12975). Kolektory badane są w takich samych warunkach, co umożliwia dokładne ich porównanie. Zestawiając ze sobą sprawności kilku kolektorów, możemy stwierdzić, jak różne rozwiązania konstrukcyjne wpływają na ich sprawność optyczną i skuteczność w rzeczywistych warunkach pracy. Wykres przedstawia charakterystyki czterech kolektorów próżniowych i jednego płaskiego. Sprawność optyczną można odczytać przy różnicy temperatury Tm-Ta = 0 (Tm-Ta – różnica między temperaturą absorbera i temperaturą otoczenia). W rzeczywistych warunkach pracy różnica Tm-Ta mieści się zazwyczaj w przedziale od 30 do 50 K dla instalacji solarnej wspomagającej ogrzewanie wody użytkowej (pole na wykresie z numerem 1) oraz 30 do 60 K w instalacji wspomagającej ogrzewanie budynku i wody użytkowej (pole nr 2).

Łatwo zauważyć duże różnice w sprawnościach różnych typów kolektorów próżniowych oraz że kolektory płaskie mogą osiągać wyższe sprawności od próżniowych w całym zakresie pracy dla wybranego rodzaju instalacji solarnej.

Próżniowy czy płaski? Kolektory słoneczne płaskie i próżniowe są w stanie zabezpieczyć do ok. 60% ciepła potrzebnego do ogrzewania wody użytkowej w ciągu roku. Aby zapewnić taki stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepło, potrzebna będzie mniejsza powierzchnia czynna kolektora próżniowego niż płaskiego – wynika to ze skuteczniejszej izolacji cieplnej kolektorów próżniowych, jaką stanowi próżnia. Kolektory próżniowe będą jednak wymagały większej powierzchni zabudowy, albowiem powierzchnia brutto takiego kolektora znacznie odbiega od jego powierzchni czynnej, w przeciwieństwie do kolektora płaskiego.

O ile w przypadku instalacji do przygotowania ciepłej wody użytkowej w zupełności wystarczą kolektory płaskie, to w instalacjach wspomagających ogrzewanie budynku lepszym rozwiązaniem mogą się okazać kolektory próżniowe. Przede wszystkim ze względu na większą skuteczność pracy przy ograniczonym promieniowaniu słonecznym i przy niskich temperaturach zewnętrznych. Oczywiście, dotyczy to przypadku, jeżeli porównujemy kolektory płaskie i próżniowe o wysokiej jakości i sprawności pracy.

Kolektory słoneczne są jedynie dodatkowym źródłem ciepła wspomagającym źródło główne, np. kocioł gazowy, olejowy czy na paliwo stałe. W okresie letnim kolektory dostarczą ok. 80-100% ciepła potrzebnego do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Dzięki temu kocioł będzie się rzadziej uruchamiał lub pozostanie całkowicie wyłączony. Zyskamy komfort wynikający z braku konieczności obsługi kotła i dodatkowe oszczędności na kosztach ogrzewania.

Robert Mizia
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij