Kolektory słoneczne. Przegląd


Ilość energii docierającej na ziemię dzięki promieniowaniu słonecznemu jest tysiące razy większa niż zapotrzebowanie na nią na całej naszej planecie. Aby ją wykorzystać, trzeba najpierw doprowadzić ją do postaci użytecznej – ciepła lub prądu elektrycznego.


Przetwarzanie energii słonecznej na ciepło jest zdecydowanie bardziej popularne niż pozyskiwanie z niej elektryczności. Wykorzystuje się do tego kolektory słoneczne. Najczęściej są to płaskie panele, które się umieszcza w najsilniej nasłonecznionych miejscach pozbawionych cienia, zwykle na dachu. Do działania układu jest jeszcze potrzebna instalacja ze zbiornikiem do magazynowania podgrzanej wody o pojemności kilkuset litrów, urządzenia zabezpieczające przed wzrostem ciśnienia w instalacji oraz układ sterujący.











By kolektory działały efektywnie, powinny być skierowane prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych i nie mogą się znaleźć w cieniu. Zanim podejmiemy decyzję o ich zakupie, sprawdźmy czy mamy dla nich odpowiednie miejsce. W ostateczności można je zainstalować obok domu
Autor: Andrzej Szandomirski
Najlepsze miejsce do zainstalowania kolektorów słonecznych, to dach. Jego spadek czasami uniemożliwia zamontowanie kolektora w taki sposób, by był skierowany na południe. Wówczas można umieścić go na pionowej ścianie domu. Wtedy odpowiednie są kolektory rurowe, w których każdy z absorberów można obrócić niezależnie, tak by jego powierzchnia była prostopadła do padających promieni słonecznych
Autor: Mariusz Bykowski

Ciepło za darmo
Energię słoneczną najłatwiej wykorzystać do ogrzewania. Może do tego służyć system pasywny, czyli przemyślana architektura – odpowiednie rozmieszczenie okien i ich wielkość, orientacja względem stron świata, kształt budynku, oraz zastosowanie określonych materiałów budowlanych. W ten sposób, dzięki wykorzystaniu zysków ciepła od nasłonecznienia, można zmniejszyć koszty ogrzewania domu o kilka, a nawet kilkadziesiąt procent w stosunku do domu bez takich rozwiązań. Dalsze zmniejszenie kosztów ogrzewania jest możliwe po zastosowaniu systemów aktywnych, takich jak na przykład kolektory słoneczne. Jest to możliwe w każdym domu, nawet jeśli w trakcie jego budowy nie było to planowane. Gdzie zamontować
Kolektory najlepiej zamontować na dachu lub elewacji domu. Dzięki temu rury z podgrzaną wodą znajdą się od razu wewnątrz domu i straty ciepła będą najmniejsze. Ocenę możliwości zastosowania kolektorów w konkretnym domu trzeba zacząć od wybrania miejsca, w którym mogłyby być zamocowane. Trzeba przy tym brać pod uwagę fakt, że najwięcej energii słonecznej pozyskuje się wtedy, gdy promienie słońca padają pod kątem prostym na powierzchnię absorbującą ciepło. Najkorzystniej jest skierować kolektor na południe i pochylić go pod kątem od 30 do 60°. Kolektor skierowany na wschód lub zachód będzie pozyskiwał blisko 20% mniej ciepła. Przy wyborze miejsca montażu trzeba zwrócić uwagę na cień rzucany na powierzchnię kolektora przez sąsiednie budynki, drzewa i inne obiekty, ponieważ utrudni on pozyskiwanie energii słonecznej. Warto zaobserwować, jak się zmienia jego długość w ciągu dnia i wybrać miejsce nigdy niezacienione. Może się zdarzyć, że ze względu na usytuowanie domu i jego kształt (spadzisty dach z małymi lukarnami, dużo okien) zamontowanie na nim kolektorów jest niemożliwe. Wtedy pozostaje znalezienie na nie miejsca na działce i poprowadzenie rur pod ziemią.
Jak są zbudowane
Kolektory mają różną konstrukcję i w związku z tym mogą znacznie się różnić wydajnością, a także ceną. Najczęściej spotyka się kolektory płaskie albo rurowe. Płaskie są bardziej popularne niż rurowe, ze względu na niższą cenę. Składają się z obudowy z izolacją­ cieplną i szybą, pod którą znajduje się absorber – najważniejsza część kolektora. Jest to płyta pokryta z wierzchu substancją o dużym współczynniku pochłaniania promieniowania słonecznego (z tego względu jest zwykle czarna), ale małym współczynniku emisji promieniowania cieplnego. Może to być czarny nikiel, czarny chrom, czarna miedź, tlenek tytanu lub inny związek chemiczny. Czasem jest to po prostu czarny lakier, ale wtedy straty ciepła przez promieniowanie są większe, niż w absorberach pokrytych substancją specjalnie do tego przeznaczoną. Do absorbera są przymocowane rurki, którymi przepływa czynnik grzewczy. Zasada działania kolektora jest następująca: promieniowanie słoneczne przenika przez jego szybę, pada na absorber, który je pochłania i zamienia w ciepło (mówiąc prościej – promienie słońca nagrzewają absorber). W przymocowanych do absorbera lub będących jego częścią rurkach znajduje się płyn – czynnik grzewczy. Najczęściej jest nim wodny roztwór glikolu o temperaturze wrzenia wyższej, a zamarzania niższej, niż czystej wody. Ogrzany od absorbera czynnik grzewczy jest transportowany rurami do zbiornika (zasobnika) z wymiennikiem ciepła. Zwykle jest nim umieszczona w zbiorniku wężownica. Przez jej ścianki ciepło czynnika grzewczego przenika do wody użytkowej zgromadzonej w zasobniku i ogrzewa ją. Elektroniczny regulator uruchamia pompę przetłaczającą czynnik grzewczy tylko wtedy, gdy jego temperatura jest wyższa, niż temperatura wody w zbiorniku. Gdy zachmurzenie jest zbyt duże, aby energia słoneczna wystarczyła do podgrzania wody, jest uruchamiane inne – dodatkowe – źródło ciepła, na przykład elektryczna grzałka zamontowana w zbiorniku, albo kocioł dostarczający czynnik grzewczy do drugiej wężownicy. Zasobnik z dwiema wężownicami, który może współpracować z dwoma źródłami ciepła, jest nazywany biwalentnym.

Dobór kolektorów

Kolektory muszą być usytuowane pod odpowiednim kątem. Najwięcej energii pochłaniają, gdy promienie słońca padają na ich powierzchnię pod kątem prostym. Dlatego optymalny kąt pochylenia kolektorów zależy od szerokości geograficznej. W Polsce wynosi on około 40° dla kolektorów mających pracować przez cały rok. Można także kupić kolektory z siłownikami automatycznie ustawiającymi je pod optymalnym kątem – zimą 60°, latem 25°, dzięki czemu ich efektywność jest jeszcze większa. Jednak kolektory płaskie są najczęściej mocowane do powierzchni dachu i dlatego ich pochylenie zależy od stopnia nachylenia połaci dachowych, a ten zwykle różni się od optymalnego dla kolektorów. Jak się zmienia wymagana powierzchnia kolektorów w zależności od kąta ich nachylenia, obrazują tabele. Przedstawiono w nich orientacyjną wymaganą powierzchnię kolektorów płaskich, z powłoką selektywną, przy założeniu, że będą pokrywać 60% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u.





Wpływ usytuowania kolektorów słonecznych na ich efektywność


Optymalne ustawienie kolektorów słonecznych to skierowanie ich na południe i pochylenie
pod kątem około 40°


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Jeśli kolektory nie będą skierowane dokładnie na południe, ilość
pozyskiwanej energii będzie nieco mniejsza – przy odchyleniu do 30° na wschód lub zachód – około 5%     


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Jeśli skierujemy kolektory na wschód lub zachód, to ilość pozyskiwanej energii zmniejszy się o około 5%     


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Także zmiana pochylenia kolektorów wpływa na ilość pozyskiwanej energii


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Rodzaje kolektorów
Kolektory płaskie stosuje się do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Montuje się je na dachach spadzistych. Mogą być zintegrowane z pokryciem dachowym. W najprostszej odmianie są to kolektory z absorberem pokrytym czarnym lakierem, izolowanym od spodu wełną mineralną lub pianką poliuretanową. Ich sprawność jest niewielka ze względu na duże straty ciepła przez promieniowanie absorbera i konwekcję spowodowaną ruchem powietrza wewnątrz obudowy kolektora. W kolektorach płaskich z absorberem pokrytym warstwą selektywną, choć zbudowane są tak samo, straty ciepła przez promieniowanie są nawet o 50% mniejsze. Ogólnie kolektory płaskie mają niezbyt wysoką sprawność – od 25 do 35%. Wystarczają do przygotowywania ciepłej wody użytkowej latem, bywają przydatne także wiosną i jesienią. Ich zaletą jest stosunkowo niska cena. Aby zwiększyć sprawność kolektorów, wytwarza się w nich próżnię. W kolektorach płaskich próżniowych prawie nie ma strat ciepła spowodowanych konwekcją. Ich sprawność sięga 45%, dlatego mogą mieć mniejszą powierzchnię niż opisane wcześniej. Mają też dodatkową zaletę – w ich wnętrzu nie wykrapla się para wodna z powietrza i ich elementy wolniej korodują. Niestety, tego typu kolektory z czasem się rozszczelniają i trzeba ponownie wytwarzać w nich próżnię. Są także droższe od konstrukcji wypełnionych powietrzem. Zupełnie inaczej są zbudowane kolektory rurowo-próżniowe. Pojedynczy kolektor składa się z kilku do kilkudziesięciu szklanych rur o średnicy 65-100 mm. W każdej z nich znajduje się absorber z miedzianą rurką, którą przepływa czynnik grzewczy. W szklanej rurze jest wytworzona próżnia uniemożliwiająca konwekcję, dzięki czemu starty ciepła przez jej ścianki są bardzo ograniczone. Każdą z rur można niezależnie obrócić tak, by absorber znajdował się prostopadle do padających na niego promieni słonecznych. Dzięki temu cały kolektor składający się z wielu połączonych ze sobą rur można przymocować do elewacji lub dachu płaskiego w pionie lub poziomie, ustawiając następnie każdy absorber optymalnie do kierunku padania promieni słonecznych. W ten sposób można maksymalnie wykorzystać energię promieniowania słonecznego. Możliwa jest też zmiana kąta pochylenia absorberów w zależności od pory roku, bez potrzeby zmiany położenia całego kolektora. W tego typu kolektorach czynnik grzewczy krążący w instalacji solarnej przepływa przez rurki przymocowane do absorbera. W każdej szklanej rurze próżniowej muszą się znajdować rurka zasilająca i powrotna. Mogą być zamontowane koncentrycznie (rura w rurze). Wtedy wewnętrzną rurką przepływa zimny czynnik i na końcu trafia do rurki zewnętrznej, w której się ogrzewa od absorbera. Rurki wychodzące ze wszystkich szklanych rur próżniowych są podłączone do prostopadłych rur zbiorczych o większej średnicy, tak zwanych kolektorów (nie mylić ze słonecznymi) – zasilającego i powrotnego. Do nich z kolei są podłączone rury instalacji solarnej prowadzące do zbiornika wody użytkowej. Kolektory rurowo-próżniowe występują w dwóch odmianach. Pierwsza, to kolektory z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego. W ich rurkach, zamkniętych w rurach próżniowych, przepływa czynnik grzewczy, który następnie płynie do wymiennika ciepła w zasobniku wody użytkowej (wodny roztwór glikolu). Druga odmiana to kolektory z rurką cieplną (heat pipe). W ich przypadku czynnik grzewczy nie dopływa z instalacji solarnej do rurek kolektora, a jedynie do wymiennika ciepła, do którego wszystkie są podłączone. W rurkach kolektora jest płyn parujący w niskiej temperaturze. Podgrzany promieniami słonecznymi odparowuje i przepływa do umieszczonego w górnej części kondensatora. Tam w kontakcie ze ściankami wymiennika ciepła chłodzonymi przepływającym czynnikiem grzewczym z instalacji solarnej skrapla się i spływa po wewnętrznej ściance rurki cieplnej. Aby to było możliwe, kolektory powinny być pochylone pod kątem około 20°. Wykorzystanie zjawiska przemiany fazowej (parowania i skraplania) umożliwia zwiększenie sprawności kolektora słonecznego. Tego typu urządzenia osiągają sprawność do 50% i dzięki mniejszym stratom ciepła nadają się do użytkowania również, wtedy gdy na zewnątrz jest zimno, a więc także zimą. Produkowane są także kolektory wyposażone w paraboliczne zwierciadła, które kierują promienie słoneczne na znajdujące się w ich ogniskach rury z czynnikiem grzewczym. Kolektor jest zbudowany z koncentrycznych rur szklanych. W przestrzeni między rurą wewnętrzną i zewnętrzną jest próżnia – jak w termosie. Rurki z czynnikiem grzewczym znajdują się w środku wewnętrznej rury, której ścianka jest pokryta warstwą absorbera. Dzięki zwierciadłom skupiającym promienie słoneczne kolektory absorbują nawet promieniowanie padające pod niekorzystnym kątem – wieczorem i rano. Przepływający przez nie czynnik może osiągać temperaturę znacznie powyżej 100°C, więc są wykorzystywane najczęściej w instalacjach przemysłowych. Jak dobrać kolektory

Kolektory ze zwierciadłami parabolicznymi podgrzewają czynnik grzewczy do temperatury znacznie przekraczającej 100°C
Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Powierzchnia kolektorów zależy przede wszystkim od tego, do czego mają być wykorzystywane. Jeśli do ogrzewania niedużego domu (około 150 m2), powinna wynosić 45-75 m². Kolektory są bardzo często wykorzystywane do ogrzewania wody w basenie. Ich powierzchnia powinna wtedy stanowić 40% powierzchni basenu krytego i 70% powierzchni basenu otwartego.
W polskich warunkach sensowne jest wykorzystywanie kolektorów słonecznych przede wszystkim do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Wobec tego instalację solarną wymiaruje się tak, by była w stanie pokryć zapotrzebowanie na nią. Producenci systemów solarnych zalecają dobór instalacji w taki sposób, aby zaspokajała 60-70% tego zapotrzebowania. Przy takich proporcjach udaje się osiągnąć kompromis między kosztem instalacji, a ilością pozyskiwanej energii. Pojemność zasobnika ciepłej wody powinna być 1,5-2 razy większa od dziennego zapotrzebowania na nią. Magazynowana w nim woda stanowi swego rodzaju akumulator ciepła. Ponieważ kolektory ogrzewają wodę tylko w ciągu dnia, trzeba zgromadzić jej na tyle dużo, aby wszyscy domownicy mogli się umyć wieczorem i następnego dnia rano. Zasobnik musi być dobrze zaizolowany, na przykład pianką poliuretanową lub wełną mineralną grubości co najmniej 50 mm. W małych instalacjach do domów jednorodzinnych precyzyjne obliczenia powierzchni kolektorów nie są niezbędne. Zwykle korzysta się z metod uproszczonych polegających na doborze urządzeń w zależności od liczby mieszkańców. Zakłada się, że każdy z nich zużywa dziennie 50 l ciepłej wody o temperaturze 45°C. Do jej podgrzania jest potrzebny kolektor słoneczny o powierzchni 1 m². Dobierając zasobnik powinno się pozostawić pewną rezerwę. Zasobniki do instalacji solarnych mają pojemność od 200 l wzwyż. Dwieście litrów wystarczy dla rodziny dwuosobowej, dla czteroosobowej pojemność powinna wynosić co najmniej 300 l, ale jeśli wszyscy chcą się kąpać w dużej wannie, lepiej wybrać jeszcze większy zasobnik. Kolektory kupuje się w postaci paneli o określonych wymiarach. Powierzchnia pojedynczego panelu kolektora płaskiego to najczęściej 2-2,5 m², rurowego około 1 lub 2 m². Ponieważ z dokładnych obliczeń wynika zwykle, że do przeciętnego domu jednorodzinnego potrzebne są kolektory o czynnej powierzchni absorbera 4-5 m², najczęściej trzeba kupić dwa, w najgorszym razie trzy panele. Oczywiście urządzenia poszczególnych producentów różnią się nieco sprawnością i wymiarami, dlatego w każdym przypadku o dobór urządzeń najlepiej poprosić sprzedawcę lub instalatora. Ponieważ instalacje solarne są dość drogie, nie warto ich przewymiarowywać. Ilość ciepła uzyskanego dzięki większej powierzchni kolektorów będzie oczywiście większa, ale jeśli nie będzie się w stanie go wykorzystać, to droższa inwestycja zupełnie się nie opłaci.



Zaletą kolektorów płaskich – oprócz atrakcyjnej ceny – jest to, że mogą zastąpić pokrycie dachowe
Autor: Andrzej Szandomirski
Zimą efektywność kolektorów płaskich jest niewielka. Zaparowane szyby utrudniają przenikanie promieni słonecznych, co w połączeniu z nienajlepszą izolacją sprawia, że przy niskiej temperaturze kolektory tego typu stają się praktycznie bezużyteczne
Autor: Andrzej Szandomirski
W niskiej temperaturze dobrze się spisują kolektory rurowe próżniowe, w których straty ciepła są bardzo ograniczone
Autor: Andrzej Szandomirski

Wyposażenie
Ważnym elementem jest pompa obiegowa wymuszająca przepływ czynnika grzewczego przez kolektory. Jej dobór to zadanie projektanta instalacji. Możliwe jest zaprojektowanie układu bez pompy obiegowej, tak zwanego grawitacyjnego, w którym ruch cieczy jest wywołany zmianą jej gęstości na skutek zmiany temperatury. Instalacja taka jest wprawdzie tańsza, ale jej zastosowanie pociąga za sobą pewne ograniczenia. Przede wszystkim kolektory muszą się znaleźć poniżej zasobnika z wodą, a rury łączące elementy instalacji muszą być krótkie, z jak najmniejszą liczbą załamań. Ze względu na konieczność ograniczenia oporów przepływu układy grawitacyjne pracują zwykle jako bezpośrednie – w zasobniku nie ma wężownicy, a przez kolektory przepływa woda użytkowa (ze studni lub wodociągu), która następnie płynie do kranów. Ze względu na możliwość jej zamarznięcia, układ nie może pracować w ujemnej temperaturze, a ciągły kontakt absorbera z wodą nieuzdatnioną jest przyczyną jego przyspieszonego zniszczenia na skutek zarastania kamieniem.


Instalacja solarna to oprócz kolektorów także duży zasobnik ciepłej wody, tak zwany biwalentny, czyli z wbudowanymi dwoma wymiennikami ciepła. Jeden przekazuje wodzie ciepło z kolektorów, drugi z tradycyjnego kotła
Autor: Mariusz Bykowski
W instalacji niezbędne są też urządzenia zabezpieczające przed wzrostem ciśnienia wody, pompa obiegowa, oraz układ sterujący
Autor: Mariusz Bykowski

Ile ciepła ze słońca?

Promieniowanie cieplne przypadające na metr kwadratowy powierzchni prostopadłej do słońca, znajdującej się powyżej atmosfery ziemskiej ma moc 1360 W. Po dotarciu promieniowania do powierzchni Ziemi oczywiście zmniejsza się ona w zależności od zachmurzenia, pory roku i dnia, szerokości geograficznej, kąta padania promieni na płaszczyznę i zanieczyszczenia środowiska. Istotnym czynnikiem decydującym o ilości energii docierającej do powierzchni Ziemi jest zachmurzenie. Dlatego do określenia opłacalności stosowania kolektorów słonecznych niezbędna jest wiedza o tym, przez jak długi czas na danym obszarze niebo jest bezchmurne. Informuje o tym wielkość zwana usłonecznieniem, które jest sumą godzin bezchmurnych w porze dziennej dla danego obszaru w ciągu roku. Dla Polski wynosi ono średnio 1600 godzin, największa wartość występuje w Gdyni (1672 h), najmniejsza w Katowicach (1234 h).

Do ogrzewania domu
W naszym klimacie i w naszej szerokości geograficznej niebo jest zachmurzone zbyt często, a dni zbyt krótkie, aby kolektory mogły być jedynym źródłem ciepła w domu. Ilość ciepła, które można pozyskać i zmagazynować nie wystarczy na czas, w którym promieniowanie słońca docierające do kolektorów jest zbyt słabe, aby mogły one funkcjonować. Kolektorów nie dobiera się tak, aby zapewniały stuprocentowe pokrycie zapotrzebowania na ciepło. Ich powierzchnia musiałaby być wtedy bardzo duża, a koszt instalacji ogromny. Dlatego za racjonalne uznaje się instalowanie kolektorów, które pokrywają około 70% zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania wody użytkowej i do 30% zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Zatem kolektory mogą być traktowane jedynie jako dodatkowe źródło ciepła, przyczyniające się do obniżenia kosztów ogrzewania. Z powodzeniem można je stosować do ogrzewania wody użytkowej od wiosny do jesieni. W okresie zimowym będą tylko uzupełniały pracę innego urządzenia grzewczego. Czy warto
Eksploatacja kolektorów słonecznych jest bardzo tania. Płaci się jedynie za prąd do napędu pompy obiegowej, której silnik ma moc rzędu kilkudziesięciu wat, więc zużywana przez niego energia kosztuje rocznie zaledwie kilkadziesiąt złotych. Do tego dochodzi kilkaset złotych raz na 5 lat za wymianę glikolu, którym zwykle napełnia się instalację. Mimo niskich kosztów eksploatacji, koszt zakupu kolektorów, zwłaszcza tych najbardziej zaawansowanych technologicznie, a więc drogich, nie zawsze szybko się zwraca. W przeciętnym domu jednorodzinnym dzięki kolektorom oszczędza się na ogrzewaniu około tysiąca złotych rocznie.
Na pewno opłaca się je zastosować, jeśli zużywa się bardzo dużo ciepłej wody użytkowej, bo wtedy zaoszczędzona kwota jest wyższa i zakup instalacji solarnej szybko się zamortyzuje. Także w przypadku, gdy alternatywą dla kolektorów są podgrzewacze elektryczne, wybór instalacji solarnej będzie zwykle opłacalny, bo podgrzewanie wody prądem kosztuje najwięcej. Niektórzy wydają na to nawet kilka tysięcy złotych rocznie, więc możliwość zmniejszenia tych wydatków dzięki kolektorom nawet tylko o połowę jest dla nich bardzo atrakcyjna. Natomiast w przypadku przygotowywania ciepłej wody przez źródło tanie w eksploatacji (kocioł na gaz ziemny, a tym bardziej pompa ciepła), wspomaganie go kolektorami słonecznymi nie przyniesie korzyści ekonomicznych. Oczywiście sytuacja może się zmienić, jeśli nadal będą drożały konwencjonalne paliwa, a ceny kolektorów spadały (a obserwując zmiany kursu złotego w stosunku do euro i dolara na to ostatnie można mieć nadzieję). Nie bez znaczenia jest też świadomość, że decydując się na kolektory słoneczne przyczyniamy się do ochrony naszej planety przed katastrofą ekologiczną – każdy, kogo na to stać, powinien się nad tym zastanowić. Dobrze by było, by także nasze władze przyczyniły się do tego wprowadzając zachętę do inwestowania w rozwiązania ekologiczne, na przykład w postaci ulg podatkowych lub tanich pożyczek, które sprawiłyby, że stosowanie tego typu urządzeń zaczęłoby się wszystkim opłacać.

Poznaj swoją przyszłość

Jedna z najlepszych wróżek w Polsce Wróżka Mira Elżbieta Sobczyk odpowiada na pytania na swoim Facebooku  lub przez e-mail. Problemy ze zdrowiem lub w sprawach "miłosnych" ? A może interesują Cię kwestie finansowe?  Sprawdź swoją przyszłość. Jej odpowiedzi pomogły już tysiącom ludzi w Polsce. Można się z nią skontaktować Jej profil na Facebooku lub http://twojawrozka24.pl
Podobne posty