Kolektor słoneczny: próżniowy czy płaski?

W ostatnim czasie pojawiło się szereg artykułów gloryfi kujących kolektory próżniowe i udowadniających wyższość tych kolektorów nad kolektorami płaskimi. Artykuły te charakteryzują się dużą ogólnikowością a do porównania kolektorów wybierane są takie rodzaje kolektorów, które pozwalają, na udowodnienie tezy, że kolektor próżniowy jest „lepszy” od płaskiego. A przecież gama oferowanych kolektorów jest szeroka, jeśli już porównywać to produkty tej samej klasy. Następnie autorzy swobodnie uogólniają swój wywód na wszystkie typy kolektorów i oto formułowany jest wniosek, że kolektory próżniowe charakteryzują się wyższą wydajnością i należy je w związku z tym przy zakupie preferować. Spróbujmy dokonać porównania.

kolektor-sloneczny-prozniowy-czy-plaski_5

Aby pozwolić sobie na ogólnikowe określenie kolektor próżniowy jest lepszy od kolektora płaskiego trzeba to stwierdzenie udowodnić dla całej gamy kolektorów słonecznych, zarówno tych „z dolnej jak i górnej półki”, tańszych i droższych. Typów kolektorów płaskich i próżniowych jest na rynku polskim taka ilość, że zadanie to jest praktycznie niemożliwe do zrealizowania. Zwłaszcza, że dane dotyczące certyfikatów kolektorów oraz wyniki badań dotyczące wydajności kolektorów są przez firmy handlujące kolektorami słonecznymi ukrywane albo prezentowane w sposób dla nich wygodny. Aby udowodnić wyższość kolektora próżniowego nad płaskim większość autorów to czyniących porównuje pracę kolektorów w tych okresach lub sytuacjach kiedy kolektor próżniowy jest rzeczywiście w stanie uzyskać wyższą temperaturę na absorberze (zwłaszcza w okresach przejściowych lub w zimie) i próbuje Kolektor słoneczny: próżniowy czy płaski? wmówić czytelnikowi, że oto kolektor próżniowy podgrzeje wodę w zasobniku do znacznie wyższej temperatury niż kolektor płaski. Jest zatem wydajniejszy, a w domyśle lepszy.

Wszyscy doskonale zdajemy sobie sprawę, że promieniowanie słoneczne dociera do terenu naszego kraju w ilości zmieniającej się na przestrzeni roku kalendarzowego – dane dla Katowic (rys. 1):

REKLAMA


kolektor-sloneczny-prozniowy-czy-plaski Rys. 1
kolektor-sloneczny-prozniowy-czy-plaski Rys. 2
 

Powyższy wykres przekształcić można do postaci przedstawionej na rys. 2.
Z wykresu tego wynika, że 2/3 całorocznego dostępnego promieniowania słonecznego przypada na 1/2 roku kalendarzowego (od kwietnia do września), a na drugą połowę roku (od października do marca) jedynie 1/3 promieniowania. Można też w przybliżeniu powiedzieć, że to czym obdarza nas Słońce od października do marca jest praktycznie identyczne z ilością promieniowania, które daje nam ono w dwóch najcieplejszych miesiącach lata!

O ile więc kolektor próżniowy winien być sprawniejszy w tej „gorszej” połówce roku aby nadrobić to co siłą rzeczy straci w „gorącej” części roku? Odpowiedź nie jest prosta. Wiadomo jednak, że tylko te kolektory próżniowe, które posiadają wysoką sprawność optyczną (ich wydajność w „ciepłej” połówce roku jest wtedy podobna do wydajności kolektora płaskiego) i niskie współczynniki strat ciepła (straty cieplne w „zimnej” połówce lata znacznie niższe od kolektora płaskiego) mają szanse na „odrobienie strat”. Czy te dwie cechy wystarczą? Może się okazać, że jest to zbyt mało – nie sama sprawność kolektora decyduje bowiem o energii pozyskiwanej przez kolektory słoneczne!

Porównanie empiryczne

W oparciu o szereg pomiarów na instalacjach słonecznych opracowano zależności empiryczne, które pozwalają na określenie rocznego uzysku energetycznego kolektora. Poniżej przedstawiam zależność empiryczną w oparciu, o którą wyznaczyć można ilość energii dowolnego kolektora zastosowanego w modelowej instalacji do pozyskiwania ciepłej wody użytkowej – wzór ten wykorzystywany bywa do prognozowania rocznego uzysku energetycznego (kWh) kolektora:

Q = (271n0 – 18,8 k1 – 653 k2 + 172 IAM50 – 0,792C – 20,7) Ac

We wzorze tym występują składniki wzoru na sprawność kolektora (n0, k1, k2) ale również współczynnik korekcji kąta padania promieniowania słonecznego IAM50 oraz pojemność cieplna kolektora C [kJ/(m2 K)], jak również powierzchnia czynna kolektora słonecznego Ac [m2].
W przypadku małej instalacji do podgrzewu ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania wzór wygląda następująco:

Q = (199n0 – 16,3 k1 – 504 k2 + 133 IAM50 – 0,590C – 23,5) Ac

Jak widać współczynnik korekcji kąta padania promieniowania słonecznego wpływa na podniesienie uzysku energetycznego, a pojemność cieplna na jego obniżenie.

parametrami? Promieniowanie słoneczne pada na kolektory pod różnym kątem, zależnym między innymi od pory roku, w efekcie część promieniowania może odbijać się od szyby kolektora, załamywać, degradować się podczas przenikania szkła itp. Kolektor próżniowy teoretycznie jest w tym przypadku mniej wrażliwy z uwagi na fakt, że rury są okrągłe i promieniowanie je przenika z różnych kierunków korzystniej niż w kolektorach płaskich. Z tym, że promienie załamujące się na szkle rury (kolektor rurowy z pojedynczą rurą z próżnią we wnętrzu rury – rys. 3) mogą w ogóle nie docierać do paska absorbera znajdującego się w osi rury.
W przypadku zaś rur typu „termos” z podwójną ścianką (rys. 4) promieniowanie dociera do absorbera znajdującego się na wewnętrznej rurze szklanej ale zanim energia promieniowania dotrze do rurki, w której płynie ciecz solarna może upłynąć sporo czasu. Zjawisko to znane jest jako późny start. Krótko mówiąc duża część energii może iść na grzanie elementów kolektora zamiast na efektywne przekazywanie energii do medium roboczego. W jednym z ostatnich numerów czasopisma Sonne Wind & Wärme 10/2010 znaleźć można szeroką analizę kolektorów próżniowych. Najlepszą wydajność uzyskały kolektory z bezpośrednim przepływem.

W miarę obiektywnego porównania kolektorów słonecznych dokonać można pod warunkiem uzyskania dostępu do pełnych certyfikatów i wyników z badań. Oczywiście nie można się dać „nabrać” na wyimaginowane wartości powierzchni czynnej kolektora podawane przez „zapobiegliwych” sprzedawców kolektorów. Skorzystamy z danych oficjalnych podanych na stronie Instytutu w Rapperswil (www.spf.ch) i wybierzemy po trzy, oferowane przez polskie firmy, kolektory płaskie i próżniowe:
Dla kolektorów, zestawionych w tabeli 1, obliczamy uzyski energetyczne, odniesione do powierzchni czynnej kolektorów a następnie przeliczamy te wartości, uwzględniając z jakiej powierzchni brutto zostały one osiągnięte. Jednocześnie skorzystać można z prognoz, które załączone są do testów kolektorów. Dla 3 wybranych modelowych instalacji solarnych określa się ilość m2 kolektorów, które zapewnią uzyskanie określonego wskaźnika pokrycia solarnego oraz oblicza się uzysk solarny w kWh/m2.

kolektor-sloneczny-prozniowy-czy-plaski Rys. 3
kolektor-sloneczny-prozniowy-czy-plaski Rys. 4
 

Jak widać wyniki interpretować można uwypuklając wybrane dane, inne mniej wygodne się pomija. A trzeba zawsze jeszcze zadać pytanie o koszt jakim określone parametry się uzyskało i czy te lepsze parametry są w stanie skompensować różnice w cenie zestawów solarnych.
Andy Wilson (http://www.sustainability.ie), który zadał sobie trud prześledzenia wyników badań Instytutu w Raperswil, stwierdził, że większość przetestowanych kolektorów płaskich posiada sprawność odniesioną do powierzchni brutto wyższą od kolektorów próżniowych. „Jedyne” o czym nie wspomniał to, że porównywał jedynie sprawność maksymalną kolektorów.

Nr testu / firma / kolektor n0 k1/ k2 C/IAM50 Ac
Kolektory płaskie
1031/ Fakro sp. z o.o/ Fakro SKW 114/140 0,781 4,37/0,0059 3,4/0,86 1,367
825/Hewalex / Hewalex 200 TP 0,802 3,8/0,0067 5,9/0,94 1,818
S859/ZME Aparel sp. z o.o / KSC-A2 V S1 0,767 4,05/0,0052 4,7/0,88 2,087
Kolektory próżniowe
1078/ HKS Lazar s. j./ SG 1800 0,623 1,52/0,0146 18,9/1,5 1,461
1030/Hewalex / KSR 10 0,850 1,38/0,0013 3,4/1,0 1,461
1026/BMK Solar sp. z o.o./NSC-30-58-1800 0,769 2,52/0,0106 33,7/1,44 2,401

Arthur Huang (http://www.ateliving.com) w swoim artykule dokonał porównania kosztów jednostkowych kolektorów płaskich (Rheem) i próżniowych (Apricus), ustalając ile energii wyprodukują kolektory w różnych strefach geograficznych, przy różnym zachmurzeniu za każdego dolara zainwestowanego przez użytkownika instalacji solarnej. Ustalił, że w ciepłym klimacie bezkonkurencyjne są kolektory płaskie, wyższość kolektorów próżniowych ujawniła się w klimacie, który autor określił jako zimny ale tylko wówczas, gdy dni nie były pogodne. Kolektory próżniowe okazują się zaś być niezawodne w instalacjach przemysłowych, gdzie niezbędne jest uzyskanie wysokich temperatur roboczych.

Nr testu / firma / kolektor Uzysk energetyczny odniesiony do powierzchni czynnej [kWh] Uzysk energetyczny z powierzchni czynnej odniesiony do powierzchni brutto [kWh/m2]
1031/ Fakro sp. z o.o/ Fakro SKW 114/140 342,97 212
825/Hewalex / Hewalex 200 TP 508,92 243
S859/ZME Aparel sp. z o.o / KSC-A2 V S1 536,77 229
1078/ HKS Lazar s. j./ SG 1800 522,71 180
1078/ HKS Lazar s. j./ SG 1800 327,68 180
1026/BMK Solar sp. z o.o./NSC-30-58-1800 888,29 179

Porównanie instalacji na obiekcie rzeczywistym

W celu obiektywnego porównania pracy instalacji z kolektorami płaskimi i próżniowymi niezbędne jest przeanalizowanie pracy instalacji znajdujących się na identycznym obiekcie. Badania takie (Erneuerbare Energien 1/2005) przeprowadzono w Niemczech w Landshut w domu bliźniaku na instalacji do wspomagania ogrzewania. Instalacja kolektorów próżniowych składała się z 12 kolektorów z bezpośrednim przepływem, instalacja kolektorów płaskich z 3 kolektorów z powłoką selektywną. Oba rodzaje kolektorów wyprodukowała firma NAU.

Nr testu / firma / kolektor Instalacja c.w.u. wskaźnik pokrycia solarnego 60% Instalacja wstępnego podgrzewu c.w.u. wskaźnik pokrycia solarnego 25% Instalacja wspomagania ogrzewania wskaźnik pokrycia solarnego 25%
1031/ Fakro sp. z o.o/ Fakro SKW 114/140 5,67/448 71,7/670 18,9/284
825/Hewalex / Hewalex 200 TP 4,9/520 63,7/755 15,3/354
S859/ZME Aparel sp. z o.o / KSC-A2 V S1 5,61/453 72,2/665 18,2/296
1078/ HKS Lazar s. j./ SG 1800 5,48/466 75,2/639 15,8/343
1030/Hewalex / KSR 10 3,82/669 56,3/854 10,0/551
1026/BMK Solar sp. z o.o./NSC-30-58-1800 4,71/542 62,9/764 13,6/400

Z podsumowania badań wynika, że kolektory płaskie charakteryzowały się (rys. 5) nieco wyższą sprawnością brutto (sprawność rozumiana jako stosunek ilości energii pozyskiwanej przez kolektory do wielkości promieniowania padającego na kolektory) od kolektorów próżniowych. Jest to efektem większej powierzchni brutto kolektorów próżniowych, w których część powierzchni (np. powierzchnia zajmowana przez obudowę rury zbiorczej) jest bezproduktywna.

bezproduktywna. Autorzy badań podzielili się ciekawym spostrzeżeniem. W tygodniach nr 46 i 47, gdy temperatury zewnętrzne nie przekraczały 10°C kolektory próżniowe dostarczały jedynie nieco więcej energii od kolektorów płaskich. Spodziewano się natomiast różnic znacznie większych z uwagi na wykorzystanie w kolektorach próżni jako idealnej izolacji cieplnej. Okazało się również, że kolektory płaskie były również w stanie uzyskiwać temperatury pozwalające na uzyskanie efektu wspomagania ogrzewania podłogowego budynku. A badania przeprowadzono w okresie przejściowym.

kolektor-sloneczny-prozniowy-czy-plaski_5

Podsumowanie

W artykule przedstawiono porównanie wybranych typów kolektorów płaskich i próżniowych bez sugerowania wyboru konkretnego typu kolektora. Aby to porównanie było pełne należy jeszcze dokonać rachunku ekonomicznego instalacji solarnej. Zakup tańszego kolektora niekoniecznie oznacza, że zakup jest właściwy! Opłacalność instalacji solarnych to zagadnienie, które wymaga odrębnego artykułu.

Jerzy Chodura

«
»

Dodaj komentarz