Ciepło ze słońca

Kolektory słoneczne na stałe zagościły już w naszym krajobrazie. Coraz częściej widzimy je na dachach domów w Polsce. Każdy użytkownik decydując się na kolektory liczy na to, że pozwolą na uniezależnienie się, w pewnym stopniu, od tradycyjnych paliw i przyniosą oszczędności przez następnych kilkadziesiąt lat.

cieplo ze slonca - Ciepło ze słońca

Spośród wielu oferowanych w kraju kolektorów możemy podzielić je na dwa rodzaje: kolektory płaskie i próżniowe. W kolektorach płaskich izolacja cieplna najczęściej wykonana jest z wełny mineralnej. Kolektory próżniowe wykonane są z rur szklanych, w których panuje próżnia, najskuteczniej zapobiegając utracie ciepła przez kolektor.
Niezależnie od rodzaju kolektory słoneczne działają w podobny sposób – energie promieniowania słonecznego zamieniają na użyteczne ciepło grzewcze.
Głównym elementem kolektora słonecznego jest absorber. Najczęściej wykonany z blachy miedzianej pokrytej warstwą pochłaniającą promienie słoneczne (warstwa absorpcyjna) z czarnego chromu lub na bazie tlenków tytanu. Pod blachą absorbera znajdują się przewody, którymi przepływa czynnik grzewczy – płyn na bazie glikolu. Czynnik grzewczy odbiera ciepło z absorbera i transportuje do np. podgrzewacza pojemnościowego (zbiornika), gdzie oddaje ciepło słoneczne wodzie użytkowej.
Kolektory próżniowe mogą znacznie różnić się między sobą budową i sposobem pracy. Możemy je podzielić na kolektory z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego przez absorber (jak w płaskich) i działające na zasadzie rurki cieplnej (Heatpipe).

W kolektorach Heatpipe w rurce odbierającej ciepło z absorbera znajduje się niewielka ilość czynnika roboczego (woda lub alkohol), która odparowuje przy temperaturze nawet poniżej 30°C. Odparowany czynnik roboczy przekazuje ciepło czynnikowi grzewczemu instalacji solarnej w kondensatorze. Po oddaniu ciepła skrapla się i spływa w dół rurki, aby ponownie odparować po ogrzaniu przez absorber. W kondensatorach znajdują się ograniczniki temperatury maksymalnej, które po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury odcinają dopływ pary czynnika roboczego do kondensatora – „wyłączają” kolektor zapobiegając przegrzewaniu. Kolektory tego rodzaju polecane są szczególnie do instalacji, w których mogą występować częste braki odbioru ciepła z kolektorów np. gdy instalacja solarna służy również do wspomagania ogrzewania budynku, gdzie w okresie letnim mogą występować duże nadwyżki ciepła.

reklama

cieplo ze slonca 1 - Ciepło ze słońca Rys. Przekrój kolektora płaskiego Vitosol 200-F
fot. Viessmann
cieplo ze slonca 2 - Ciepło ze słońca Rys. Przekrój kolektora próżniowego z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego przez absorber Vitosol 200-T cieplo ze slonca 3 - Ciepło ze słońca Kolektory Biawar Hevelius.
fot. Biawar

Aspekty budowy kolektorów

Szeroka oferta kolektorów i rozwiązań systemowych pozwala na wybór odpowiednich kolektorów do każdego rodzaju instalacji i praktycznie do każdych warunków ich zabudowy. W wielu przypadkach zastosowanie już kolektorów płaskich przyniesie zadowalające efekty jednocześnie przy niskich kosztach inwestycji. Natomiast kolektory próżniowe częściej realizują „trudne zadania” pod względem specyficznego sposobu ich montażu i wymagań pracy instalacji.
Kolektory słoneczne pracują w trudnych warunkach. Narażone są na wysokie temperatury, oddziaływanie silnego wiatru, duże naciski spowodowane zaleganiem śniegu, padający grad itp. Jednocześnie, aby użytkownik był w pełni zadowolony z inwestycji, kolektory powinny pracować bezawaryjnie i z niemal niezmienną sprawnością, przez co najmniej 20 lat.
Kolektory słoneczne sprawdzane są według dwóch głównych grup badań: wytrzymałościowe (jakościowe) i sprawnościowe (uzyski ciepła).
Badania wytrzymałościowo-jakościowe, oceniają w szerokim zakresie jakość wykonania kolektora oraz jego trwałość. Ze względu na trudne warunki pracy kolektorów, badania te są bardzo ważne dla zachowania wieloletniej i maksymalnie wydajnej pracy przy jednoczesnej gwarancji bezawaryjnej i bezpiecznej ich eksploatacji.
Badania sprawnościowo-cieplne, oceniają efektywność pracy samego kolektora, jak i całej instalacji solarnej. Szczegółowe wyniki pozwalają ocenić techniczną klasę kolektora słonecznego. Charakterystycznymi parametrami kolektorów są przede wszystkim: sprawność optyczna, współczynniki strat ciepła oraz wydajność grzewcza.
Badania, jakim poddawane są kolektory słoneczne reguluje norma EN 12975, przyjęta również w Polsce, jako PN-EN 12975. W oparciu o normę badaniami kolektorów zajmują się niezależne instytuty jak SPF Rapperswil (Szwajcaria) czy ISFH Emmerthal (Niemcy). Dodatkowym argumentem przemawiającym za wysoką jakością kolektorów jest certyfikat jakości Solar Keymark. Wymagania Solar Keymark sprawiają, że kolektory mogą być bez uprzedzenia zabierane do badań bezpośrednio z zakładu produkcyjnego lub magazynu. Gwarantuje to, że do badań trafiają kolektory, które rzeczywiście oferowane są na rynku.

cieplo ze slonca 4 - Ciepło ze słońca Kolektory próżniowe Solaris.
fot. Biawar

Kolektory płaskie są nieskomplikowanymi urządzeniami, jednak w zależności od producenta mogą różnić się budową i rozwiązaniami technicznymi. Prześledźmy kilka aspektów budowy kolektorów płaskich, na które warto zwrócić uwagę, a które mogą znacznie wpływać na ich trwałość i sprawność podczas normalnego użytkowania.
Obudowa kolektora najczęściej wykonana jest z blachy aluminiowej, rzadziej z tworzywa sztucznego. Niezależnie od konstrukcji nie powinna ulegać deformacji pod wpływem mogących występować dużych obciążeń np. zaleganie śniegu. Podczas badań kolektory i konstrukcja ich mocowania poddawane są obciążeniom 100 kg/m2.
Tak, więc, obudowa kolektora powinna być wytrzymała i stabilna. Można to uzyskać np. wykonując obudowę z jednego fragmentu materiału – z jednego profilu.
Przykrycie przezroczyste kolektora wykonane ze szkła musi być odporne na uderzenia mechaniczne spowodowane przez np. gradobicie (test uderzeniowy kulką stalową o masie 150 g), oraz powinno w maksymalnym stopniu przepuszczać promieniowanie słoneczne. Do budowy kolektorów najczęściej stosowane jest hartowane, jednowarstwowe szkło, tzw. bezpieczne szkło solarne.
Uszczelnienie obudowy jest jednym z najważniejszych aspektów budowy kolektora, który ma znaczny wpływ na jego sprawność i ilość uzyskiwanego ciepła. Z najczęściej niespełnianych warunków testów jakościowych jest właśnie nieszczelność obudowy przy jednoczesnym jej obciążeniu – symulacja topniejącego śniegu. Kolektory poddawane są również tzw. próbie deszczu – symulacja intensywnego deszczu, który pada ze wszystkich stron obudowy kolektora. Obudowa nie może umożliwiać wnikania wody do jego wnętrza.
Zawilgocona izolacja cieplna kolektora szybko traci swoje właściwości, skutkiem czego jest znaczny spadek jego sprawności i mała efektywność pracy.
Równie istotnym czynnikiem jest skuteczna wentylacja wnętrza kolektora płaskiego. Wentylacja zapewnia „oddychanie” kolektora, dzięki czemu usuwana jest wilgoć z materiałów izolacyjnych użytych do jego budowy. Czasem można zaobserwować zaparowaną szybę nowych kolektorów, jest to zjawisko naturalne powstające właśnie przy odprowadzaniu wilgoci z izolacji cieplnej. Również w czasie normalnej eksploatacji kolektorów szyba może być zaparowana, ponieważ izolacja stale pochłania i oddaje wilgoć zawartą w powietrzu. Często pojawiające się i długotrwałe zaparowanie szyby kolektora mogą być spowodowane właśnie nieskuteczną wentylacją naturalną jego wnętrza i niskimi temperaturami pracy kolektorów (najczęściej w niedowymiarowanych instalacjach).
Absorber jest sercem kolektora. Najczęściej wykonany jest z blachy miedzianej pokrytej powłoką absorbującą promienie słoneczne wykonaną z czarnego chromu lub na bazie tlenków tytanu. Ich wspólną cechą są wysokie współczynniki absorpcji i mała wrażliwość na tzw. starzenie się – obniżenie skuteczności pochłaniania promieniowania słonecznego z biegiem lat. Odporność na starzenie jest jednym z najważniejszych aspektów badań jakościowych kolektorów słonecznych. Odgrywa decydującą rolę dla podstawowego wymogu stawianemu kolektorom słonecznym tj. niemal niezmienna sprawność przy minimum 20-letniej jego eksploatacji.
Kolektory próżniowe podobnie jak płaskie poddawane są badaniom jakościowym i cieplnym. Różnią się od płaskich głównie izolacją cieplną, którą tutaj jest próżnia zamknięta w szklanej rurze. Dzięki czemu nie ma w nich „problemu” z wnikaniem wilgoci do wnętrza i właściwą wentylacją kolektora. Wiele różnych rozwiązań technicznych stosowanych w kolektorach próżniowych sprawia, że mogą znacznie różnić się sprawnością i ilością pozyskiwanego ciepła ze słońca.

cieplo ze slonca 5 - Ciepło ze słońca Rys. Sprawność kolektorów płaskich i próżniowych w zależności od różnicy temperatur między absorberem i otoczeniem

Sprawność kolektorów

Badania sprawnościowo-cieplne pozwalają określić charakterystyczne parametry kolektorów słonecznych takich jak sprawność optyczna, współczynniki strat ciepła oraz wydajność grzewczą.
Sprawność optyczna określana jest przy idealnych warunkach pracy kolektora, to znaczy, gdy nie występują straty ciepła do otoczenia (przy braku różnicy temperatury między absorberem kolektora a otoczeniem).
Sprawność optyczna jest parametrem, który świadczy o cechach geometrycznych kolektorach: o skuteczności przenikania promieni słonecznych przez przykrycie szklane oraz o skuteczności pochłania promieni słonecznych przez absorber.
W rzeczywistych warunkach pracy sprawność kolektora jest niższa od optycznej, która wynika głównie ze strat ciepła. Dzięki skutecznej izolacji cieplnej kolektorów próżniowych, ze wzrostem różnicy temperatur między absorberem a otoczeniem ich sprawność maleje w mniejszym stopniu niż kolektorów płaskich.
Dla każdego kolektora słonecznego określane są współczynniki strat ciepła liniowe k1 i nieliniowe k2.
Współczynnik k1 odgrywa zasadniczą rolę przy niskich różnicach temperatur pomiędzy płytą absorbera a otoczeniem kolektora (np. w porze ciepłej : IV÷IX). Natomiast, współczynnik k2 odgrywa decydującą rolę dla pracy kolektora w porze zimnej (X÷III). Tu w szczególności kolektory oferowane na rynki Europy Środkowej i Północnej powinny charakteryzować się niską wartością współczynnika k2.
Im współczynniki strat ciepła mają niższe wartości, tym sprawność kolektora obniża się w mniejszym stopniu wraz ze wzrostem strat ciepła, a więc kolektor uzyskuje wysokie sprawności robocze podczas jego normalnej eksploatacji.
Na podstawie sprawności optycznej oraz współczynników strat ciepła k1 i k2 wykonuje się wykresy sprawności dla kolektorów słonecznych. Można dzięki nim określić sprawność kolektora w rzeczywistych warunkach pracy oraz ustalić ilość ciepła, jaką uzyskamy z danego kolektora.
Wykres powyżej przedstawia sprawność przykładowych kolektorów płaskich i próżniowych. Zaznaczone pola na wykresie przedstawiają zakresy temperatur (różnica temperatur dT=0), jakie najczęściej występują w zależności od przeznaczenia instalacji solarnej.
Najwyższą sprawność osiągają kolektory dla dT=0, czyli przy braku strat ciepła (sprawność optyczna).
Najczęściej kolektory słoneczne stosowane są w małych instalacjach (domach jednorodzinnych) do wspomagania ogrzewania ciepłej wody użytkowej, dla których różnica temperatury dT w czasie normalnej pracy mieści się w przedziale od 30 do 50 K (wartość bezwzględna 1K = 1°C).

cieplo ze slonca - Ciepło ze słońca Rys. Uzyski ciepła (moc) z różnego rodzaju przykładowych kolektorów słonecznych

Uzyski ciepła z kolektorów

Kolektory próżniowe zyskały opinię urządzeń o najwyższej sprawności i wyższych uzyskach ciepła niż kolektory płaskie. Może to być słuszne, jeśli porównujemy kolektory wysokiej jakości.
Na rynku spotkać można kolektory płaskie i próżniowe niskiej jakości i o niskiej cenie. Często z „tanich” kolektorów próżniowych uzyskamy mniej ciepła niż z płaskich dobrej jakości. Oczywiście nie jest to bezwzględną reguła, ale czasem lepszym rozwianiem będzie zastosowanie dobrego kolektora płaskiego zamiast próżniowego o małej efektywności pracy.
Wykres poniżej przedstawia uzyski ciepła z przykładowych kolektorów (moc) o zbliżonej powierzchni absorbera, przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącym 700 W/m2.

cieplo ze slonca 1 - Ciepło ze słońca Rys. Stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania c.w.u. w ciągu roku przez instalację z koel torami płaskimi i próżniowymi (na podstawie symulacji komputerowej w programie T*SOL).

Kolektor płaski czy próżniowy?

Najczęściej kolektory słoneczne wykorzystywane są do wspomagania ogrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) w domach jedno lub wielorodzinnych. Niezależnie od rodzaju kolektorów ich powierzchnię dobiera się tak, aby instalacja solarna pokryła zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania c.w.u. na poziomie 50 do 60% w ciągu roku. Dotyczy to zarówno kolektorów płaskich jak i próżniowych.
Kolektory próżniowe wysokiej jakości pracują z wyższą sprawnością od płaskich. Dla tego, aby uzyskać wymagany roczny stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepło wystarczy zastosowanie kolektora próżniowego o mniejszej powierzchni niż płaskich. W typowej instalacji solarnej do ogrzewania c.w.u. dla rodziny 3-4 osobowej mogą wystarczyć kolektory płaskie o łącznej powierzchni absorbera 5 m2 lub kolektor próżniowy o powierzchni 3 m2. W obu przypadkach uzyski ciepła z kolektorów w ciągu roku będą podobne.
W zdecydowanej większości instalacji solarny do wspomagania ogrzewania c.w.u. wystarczające będzie zastosowanie kolektorów płaskich. Próżniowe mogą być lepszym rozwiązaniem, gdy nie ma wystarczająco dużo miejsca na dachu do zamontowania płaskich – mniejsza powierzchnia kolektorów próżniowych może to ułatwić, gdy nie ma możliwości optymalnego ustawienia kolektorów płaskich w kierunku południowym i pod odpowiednim kątem do poziomu – kolektory próżniowe mają większe możliwości montażu: mogą leżeć bezpośrednio na dachu płaskim, przylegać bezpośrednio do ściany budynku; w budynkach o ograniczonym odbiorze ciepła w okresie letnim – dla ochrony kolektorów i instalacji przed przegrzewami np. w budynkach biurowych, szkolnych, w domach jednorodzinnych ze wspomaganiem centralnego ogrzewania przez kolektory itp.).
Wybierając odpowiedni rodzaj kolektorów warto mieć na uwadze oczekiwania klienta, który spodziewa się jak największych oszczędności dzięki instalacji solarnej i niezawodnej pracy kolektorów i instalacji przez kilkadziesiąt lat.

Krzysztof Gnyra

UDOSTĘPNIJ
Poprzedni artykułRekuperatory w nowej siedzibie w Krakowie
Następny artykułKompakty z wbudowanym pomporozdrabniaczem

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here