Sposoby łączenia kolektorów słonecznych. Stabilny zestaw

Jeżeli mamy do czynienia z typowym kolektorem płaskim z czterema króćcami z absorberem w postaci harfy, to z faktu, że jest on symetryczny nie wynika, że można go montować w dowolny sposób. Trzeba zaznaczyć, że zgodnie z obowiązującymi normami w zakresie słonecznych systemów grzewczych producent kolektora jest zobowiązany do umieszczenia na ramie kolektora napisu wskazującego, w którym miejscu znajdować się powinien dół (góra) kolektora. Często jednak tego napisu brak, co powoduje, że instalator może zamontować kolektor odwrotnie niż to wynika z instrukcji. Nie zdaje sobie bowiem sprawy na przykład z tego, że w ramie kolektora znajdują się otwory wspomagające wentylację kolektora, a przy niewłaściwym zamontowaniu kolektorów w trakcie opadów poprzez te otwory woda przedostawać się może do wnętrza kolektora. Kolektor taki posiadać może również inny układ absorbera (np. meander), ale jest to już temat na osobny artykuł, w którym dokonane zostanie porównanie różnorodnych rozwiązań kolektorów.

W przypadku kolektorów płaskich z dwoma króćcami sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana. Kolektor taki może należeć do grupy tak zwanych trudno opróżniających się (trudno jest go opróżnić bez zastosowania dodatkowych środków), a instalator wiedząc, że będzie musiał kolektor na zimę opróżniać, montuje go w pozycji odwrotnej, ponieważ to pozwala na łatwe opróżnienie kolektora. Problem w tym, że kolektor ten może posiadać otwory wentylacyjne tak usytuowane, że prowadzi to bezpośrednio do problemów wyżej opisanych, czasami na szybie kolektora pojawia się wówczas woda… Kolektory zaparowują, a pozbycie się zaparowań jest utrudnione, albowiem odwrócony został kierunek wentylowania kolektora.

Połączenie Kolektory łączone są między sobą za pośrednictwem różnego rodzaju złączek. Podstawowymi rozwiązaniami są śrubunek oraz złączka zaciskowa. Ale bywają też stosowane rozwiązania bardziej skomplikowane, zwłaszcza jeżeli producent chciał zadbać o kompensację wydłużeń rur zbiorczych kolektorów. Ponieważ medium płynące w rurach kolektorów słonecznych posiada zmieniającą się temperaturę, w wyniku tych zmian dochodzi do zmiany długości rur. Renomowani producenci kolektorów stosują kompensatory wydłużeń rur, montując je na połączeniach kolektorów (jak wyżej) albo we wnętrzu kolektora. W przypadku, gdy producent decyduje się na zastosowanie kompensacji we wnętrzu kolektora, wykonuje to zwykle osadzając kompensator na odcinku rury zbiorczej albo też w sposób specyficzny, wykonując rury doprowadzające ciecz do rurek absorbera (wykonuje pętlę kompensującą wydłużenia).

Najłatwiejszym sposobem uniknięcia stosowania kompensatorów wydaje się jednak użycie kolektorów z króćcami wyprowadzonymi do góry. Takie rozwiązanie pozwala również na umieszczenie kolektorów bezpośrednio obok siebie bez odstępu montażowego. Niektóre firmy twierdzą, że ich kolektory posiadają wewnętrzną kompensację temperatury i w ten sposób mogą zrezygnować z zabudowy drogich kompensatorów.

Przewody rurowe wykorzystywane w technice solarnej wykonane są z miedzi, stali nierdzewnej lub szarej. W obrębie kolektorów zaleca się lutowanie lutem twardym, albowiem lut miękki może nie wytrzymać obciążenia temperaturowego, zwłaszcza gdy kolektory przejdą w stan stagnacji. Oczywiście, nie powinno się stosować lutowania twardego w miejscach, gdzie znajdują się materiały nieposiadające odpowiedniej wytrzymałości na wysokie temperatury, gdyż prowadzi to do ich uszkodzenia (fot. 1). Jeżeli już ktoś decyduje się na spawanie w takim obszarze, to powinien zadbać o chłodzenie elementów zagrożonych zniszczeniem.

Aby nie dochodziło do problemów w przypadku, gdy instalator „używa zbyt dużo siły”, można skorzystać przy skręcaniu kolektorów z klucza dynamometrycznego. I chodzi tu nie tylko o możliwość zniszczenia gwintu połączenia, ale przekręcenia rury zbiorczej i zniszczenia połączeń lutowanych we wnętrzu kolektora. Jeżeli połączenia w obrębie kolektorów są połączeniami śrubowymi, to do ich uszczelnienia należy stosować pakuły nasączone pastą uszczelniającą, odporną na wysokie temperatury oraz działanie glikolu. Wszelkie przewody rurowe winny być mocowane zgodnie z zasadami techniki grzewczej w taki sposób, aby wydłużenia cieplne nie prowadziły do nadmiernego wzrostu naprężeń.

Odpowietrzanie Każde pole kolektorów winno być wyposażone w odpowietrznik solarny. O ile w przypadku odpowietrzników ręcznych nie ma problemu z ich odpornością na działanie wysokich temperatur, to odpowietrzniki automatyczne muszą charakteryzować się taką odpornością, a dodatkowo pamiętać należy, że odpowietrznik automatyczny winien być zamontowany na zaworze odcinającym również odpornym na wysokie temperatury. Odpowietrznik, niezależnie czy ręczny, czy automatyczny, winien być montowany pionowo. Jeśli chodzi o usytuowanie odpowietrznika to obowiązują tu dwie „szkoły”. Jedna zaleca stosowanie odpowietrznika w najwyższym punkcie instalacji, druga na poziomym odcinku rur, przy czym odpowietrznik winien być zamontowany na separatorze powietrza.

Pamiętać jednak należy, że często poza zastosowaniem standardowego odpowietrznika solarnego niezbędne jest użycie dodatkowych odpowietrzników, jeżeli na przykład rury instalacji prowadzone są w sposób wymagający ich zastosowania. Występuje to w sytuacji przedstawionej na fotografii 2, gdzie instalator nie dość że zamontował nieprawidłowo złącze krzyżowe z ręcznym odpowietrznikiem, to poprowadził następnie rurę do góry nad kolektor i na tym odcinku potencjalnie zbierać się będzie powietrze.

W jakim celu instalator poprowadził rurę nad kolektory w sytuacji przedstawionej na fotografii 3? Chyba tylko po to, aby ogrzana przez kolektory ciecz solarna nieco się wychłodziła. Generalną zasadą łączenia kolektorów jest usytuowanie pól kolektorów w sposób zwarty, co pozwala na zaoszczędzenie kosztów magistrali oraz montażu. Każdy producent w swoich materiałach określa maksymalną liczbę kolektorów, które można ustawić w szereg.

Standardem w technice solarnej jest zastosowanie układu Tichelmanna, aby uzyskać hydrauliczne zrównoważenie systemu, co pokazano na schemacie 1. Po lewej stronie zaprezentowano zestaw pięciu kolektorów połączonych z wykorzystaniem układu Tichelmanna. Dla zobrazowania, jakie następstwa niesie ze sobą brak tego układu, na rysunku pokazano przebiegi prędkości przepływu (kolor czerwony), oporów przepływu (kolor niebieski) oraz temperatury (kolor zielony) w poszczególnych kolektorach, jak również ich wartości średnie. Widać wyraźną różnicę!

Aby zjawisko to wyjaśnić, na schemacie 2 przedstawiono sytuację występującą w pojedynczym kolektorze. Ciecz robocza o określonej objętości przepływu tłoczona przez pompę solarną z odpowiednim ciśnieniem dostaje się do dolnej rury rozdzielczej kolektora, a wychodzi z górnej rury zbiorczej z ciśnieniem pomniejszonym o wartość oporów przepływu całego kolektora (ΔP). Trzeba pamiętać, że z kolektora wychodzi ta sama ilość cieczy, która do niego wchodzi, a rury posiadają identyczne średnice. Ciśnienie wywołane przez pompę powoduje określony rozkład przepływu masowego przez kolektor. W dolnej rurze rozdzielczej kolektora dochodzi po kolei do oddzielenia się przepływu do rurek absorbera. W efekcie w tej rurze stopniowo zmniejsza się prędkość przepływu, a co za tym idzie i strata ciśnienia na kolejnych odgałęzieniach (górna krzywa po prawej stronie rysunku). Ponieważ strata ciśnienia jest kwadratową funkcją prędkości przepływu, krzywa ta nie jest liniowa. Ciecz robocza przepływa przez kolejne rurki absorbera, wywołując straty przepływu (Δp) i dochodzi do górnej rury zbiorczej. W rurze tej dochodzi do „zbierania” kolejnych przepływów masowych i ciśnienie w niej spada. Krzywa ta ma przebieg symetryczny do krzywej z rury dolnej. Jak widać, środkowe rury absorbera posiadają najmniejszą stratę ciśnienia pomiędzy rurą rozdzielczą i zbiorczą, a co za tym idzie, przepływ w niej jest najmniejszy. Efektem jest najwyższy przyrost temperatury. W przypadku ekstremalnym przy zbyt niskiej wartości przepływu w takiej rurze może dochodzić do „zagotowania” cieczy i rura taka jest bezużyteczna, albowiem zanika w niej przepływ. W związku z tym, że przepływy w poszczególnych rurkach kolektora się zmieniają i kolektory posiadają różną konstrukcję absorbera, zachodzi w nich różny przyrost temperatury. Zagadnienie to zostanie opisane w oddzielnym artykule.

Szeregowo i równolegle W przypadku łączenia kolektorów obowiązuje podstawowa zasada: długi powrót (zimna gałąź instalacji) i krótkie zasilanie (gorąca gałąź). Kolektory można łączyć szeregowo lub równolegle. W przypadku połączenia szeregowego przez każdy kolektor w polu kolektorów przepływa identyczna ilość cieczy, a opory przepływu całego pola stanowią sumę oporów przepływu poszczególnych kolektorów. Przy połączeniu równoległym przepływ rozdziela się na poszczególne kolektory, a strata ciśnienia pola kolektorów jest równa stracie ciśnienia pojedynczego kolektora. W większych instalacjach występuje najczęściej połączenie szeregowo-równoległe kolektorów (schemat 3). W pokazanym przykładzie zastosowano układ Tichelmanna (po lewej stronie) i zasadę długi powrót, krótkie zasilanie. Do jakich konsekwencji może prowadzić brak układu Tichelmanna (rysunek po prawej stronie)? Po pierwsze, do trzeciego rzędu kolektorów dochodzić będzie niższy przepływ, co spowoduje, że powstanie tam wyższa temperatura, gdy przepływ będzie za niski i kolektory przejdą w stan pary, pole to nie będzie pracować. Przyjmijmy jednak, że nie jest aż tak źle i temperatura nie osiągnęła jeszcze wartości krytycznej. Czujnik temperatury umieszczony w tym polu kolektorów podaje do regulatora układu sygnał, że temperatura jest wyższa od temperatury w zasobniku o zadaną wartość różnicy temperatur i pompa solarna rusza, a przecież do zasobnika będzie dochodzić medium z całego zestawu kolektorów z pewnością o temperaturze niższej od wskazywanej przez czujnik! Efektem może być w ekstremalnym przypadku wychłodzenie zasobnika. Wielu instalatorów myli pojęcia, ciesząc się wysoką temperaturą na kolektorach. To bowiem nie temperatura, ale strumień energii wynikający z wartości przepływu masowego oraz temperatury decyduje o wydajności systemu solarnego.

Usytuowanie czujnika Z powyższego wywodu wynika, że ważnym zagadnieniem jest właściwe usytuowanie czujnika temperatury kolektorów słonecznych. Najczęstszymi rozwiązaniami jest umiejscowienie czujnika w elemencie bezpośrednio stykającym się z absorberem kolektora lub w tulei zanurzonej w cieczy solarnej. Instalatorzy, niestety, nie dbają zbytnio o właściwe zamocowanie czujnika, co prowadzi do niepotrzebnych problemów. Na fotografii 4 pokazałem przewód czujnika temperatury, który zwisa swobodnie z kolektora. Narażony jest on na działanie czynników atmosferycznych i w efekcie może ulec uszkodzeniu. Jeśli nie nastąpi to w wyniku wielokrotnego przeginania się podczas naporu wiatru (złamanie przewodu następuje wewnątrz pancerza i po prostu uszkodzenia nie widać, następuje przerwa w obwodzie elektrycznym) lub po prostu w wyniku wyrwania, to uszkodzenie może się zdarzyć w zimie, gdy z dachu „schodzić będzie” czapa śniegu. Zdjęcie wybrałem, aby dodatkowo pokazać, że odpowietrznik nie jest tu umiejscowiony pionowo.

Zastosowanie czujników temperatury podających sygnał elektryczny do regulatora solarnego wiąże się z koniecznością uziemienia kolektorów, albowiem pojawia się na kolektorze potencjał elektryczny. Przykład sposobu uziemienia pokazano na fot. 5 Często w trakcie montażu kolektorów trzeba naruszyć połać dachową, aby np. przejść z przewodami na poddasze lub ustawić konstrukcję mocującą.

Jerzy Chodura

Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf 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