| muratordom.pl » Instalacje » Kolektory, pompy ciepła » Jak działają kolektory słoneczne płaskie i próżniowe. Budowa i zasada działania kolektorów

Jak działają kolektory słoneczne płaskie i próżniowe. Budowa i zasada działania kolektorów

Kolektory słoneczne wykorzystują darmową energię dostarczaną przez słońce. Dlatego z roku na rok są coraz bardziej popularne. Oto zasada działania kolektorów słonecznych, ich budowa oraz rodzaje. Wybierz dla siebie solary, które sprawnie i tanio ogrzeją wodę w twoim domu.

Co to jest kolektor słoneczny?

Kolektory słoneczne, nazywane także solarami, to urządzenia, w których energia promieniowania słonecznego jest przekształcana w ciepło ogrzewające przepływający nimi płyn. Ogrzewanie wody do celów użytkowych (przede wszystkim do mycia) na potrzeby jednej rodziny pochłania kilka tysięcy kilowatogodzin rocznie. Możliwość zastąpienia drogiej energii elektrycznej, a nawet nieco tańszej uzyskiwanej z gazu lub oleju, darmową energią słoneczną to kusząca perspektywa. Dlatego w Polsce pracują już kolektory, których łączną powierzchnię szacuje się na ponad 300 tys. m2. Dużą ich część stanowią te zainstalowane w domach jednorodzinnych.

Jak działa kolektor płaski?

Kolektory słoneczne mogą być konstruowane na różne sposoby. Najwięcej na rynku jest tak zwanych kolektorów płaskich, cieczowych. W uproszczeniu można powiedzieć, że jest to układ cienkich rurek (ewentualnie kanałów wykonanych z profili) przymocowanych do metalowej płyty pokrytej tak zwaną powłoką selektywną. Całość jest zamknięta w obudowie, która ma ograniczać straty ciepła i chronić kolektor przed uszkodzeniami, a jednocześnie nie utrudniać przenikania promieniowania słonecznego do wnętrza. I to wszystko.

Płynąca rurkami kolektora ciecz (zwykle stosuje się trudno zamarzający roztwór glikolu) ogrzewa się od rozgrzanej przez słońce powierzchni płyty i przylegających do niej ścianek rur. Od jakości użytych materiałów i precyzji wykonania zależy sprawność kolektora, a zatem także ilość energii, jaką dostarczy do instalacji przy określonej powierzchni.

Urządzenia gorszej jakości są w stanie dostarczać gorącą wodę w zasadzie tylko w czasie słonecznej pogody i pod warunkiem że na dworze nie jest bardzo zimno. Wynika to z niewielkich możliwości pochłaniania promieniowania słonecznego przez niezbyt wyrafinowany absorber i ze strat ciepła przez prostą obudowę. By mieć pożytek z kolektorów także zimą i gdy słońce jest zasłonięte chmurami, konieczne jest zastosowanie droższych rozwiązań.

Autor: DE DIETRICH

Nieco bardziej skomplikowaną budowę mają kolektory rurowe próżniowe. Próżnia wytworzona w każdej z rur sprawia, że ciepło z absorbera jest w znacznie mniejszym stopniu niż w kolektorach płaskich tracone do otoczenia. Na zdjęciu Kolektor rurowy De Dietrich.

Autor: DE DIETRICH

Płaski kolektor słoneczny to urządzenie stosunkowo proste. W zaizolowanej cieplnie skrzyni przykrytej z wierzchu szybą znajduje się czarna płyta (absorber) z przymocowanymi do niej rurkami, przez które przepływa ciecz – roztwór glikolu. Ogrzewa ją promieniowanie słoneczne docierające przez szybę do wnętrza kolektora. Na zdjęciu kolektor płaski De Dietrich.

Dołącz do nas i bądź na bieżąco

Co to jest absorber?

Najważniejszą częścią kolektora jest absorber ogrzewany przez promieniowanie słoneczne. Jest to płyta pokryta z wierzchu substancją o dużym współczynniku pochłaniania tego promieniowania, ale o małym współczynniku emisji promieniowania cieplnego.

W najprostszym niespotykanym już wariancie metalowa (niekiedy z tworzywa sztucznego) płyta absorbera jest po prostu pomalowana czarną farbą. Takie rozwiązanie było tanie, jednak generuje stosunkowo duże straty ciepła przez promieniowanie. Dlatego w kolektorach wyższej klasy stosuje się znane pod różnymi nazwami handlowymi powłoki galwaniczne z czarnego niklu, czarnego chromu, czarnej miedzi albo charakteryzującego się najkorzystniejszymi parametrami napylane powłoki wysokoselektywne z tlenku tytanu (TiNOX). To oczywiście pociąga za sobą zwiększenie kosztów produkcji, ale i pożytek z kolektorów jest wówczas większy.

Płyn (roztwór glikolu), który ma być ogrzewany ciepłem absorbera, przepływa przez rurki. Powinny one być starannie do niego przymocowane – na całej długości do niego przylegać, by skutecznie odbierać ciepło. Najczęściej są z miedzi, która dobrze je przewodzi, a przy tym jest materiałem odpornym na duże zmiany temperatury i korozję. Bardzo istotny ze względu na skuteczność wymiany ciepła między absorberem a elementami transportującymi ogrzewaną ciecz jest sposób ich połączenia. Producenci stosują różne rozwiązania, starając się znaleźć kompromis między ich jakością i kosztami produkcji. W absorberach są wykonywane kanały, w których zagłębia się rurki, dzięki czemu kilkakrotnie zwiększa się powierzchnia styku. Rurki bywają też spłaszczane.

Z absorberem łączy się je, lutując lutem twardym, zgrzewając punktowo (z zastosowaniem nakładek) lub ultradźwiękowo albo spawając laserowo. Ponieważ miedź jest materiałem stosunkowo drogim, zaczęto ją zastępować aluminium. Kolektory z aluminiowymi absorberami i aluminiowymi profilami do transportowania płynu są znacznie tańsze. Produkcja w pełni aluminiowych konstrukcji stała się opłacalna dzięki udoskonaleniu technologii klejenia – stosuje się do tego silikony odporne na wysoką temperaturę. Inny jest jednak reżim ich łączenia z instalacją z uwagi na możliwość powstania ogniw galwanicznych.

Jak jest obudowany kolektor?

Absorber z rurkami jest umieszczony w obudowie w postaci płaskiej skrzyni, zwykle z aluminiowej blachy (istotna jest odporność materiału na korozję i czynniki atmosferyczne) o wymiarach zbliżonych do 200 x 100 x 10 cm.

Ciężar całego kolektora to zazwyczaj około 40 kg. Spód i boki obudowy są izolowane cieplnie, najczęściej wełną mineralną. Od grubości warstwy izolacji zależy wielkość strat ciepła z kolektora do otoczenia, więc nie może być zbyt cienka. Obudowa powinna być szczelna, bo to także ma wpływ na wielkość strat ciepła, w dodatku przez nieszczelności mogą się przedostawać zanieczyszczenia powodujące zmniejszenie efektywności działania absorbera.

Górna ściana obudowy zakrywająca absorber musi przepuszczać promieniowanie słoneczne, dlatego jest przezroczysta. W większości kolektorów jest to szyba ze szkła hartowanego odpornego na uszkodzenia mechaniczne – nie powinna ulec zniszczeniu nawet w czasie gradobicia.

Szkło stosowane w kolektorach jest nazywane solarnym. Jego cechy to dobra przepuszczalność promieniowania słonecznego i jednocześnie dobra izolacyjność termiczna. Niektóre kolektory mają szyby ze szkła pryzmatycznego – rozpraszającego światło. Dzięki temu, gdy promienie słoneczne padają na szybę kolektora pod kątem innym niż prosty, jego wydajność jest nieco większa niż przy zastosowaniu zwykłego szkła solarnego.

Jak działają kolektory próżniowe?

Szacuje się, że mniej więcej 90% wszystkich sprzedanych w Polsce kolektorów słonecznych to kolektory płaskie.

Pozostałe 10% to przede wszystkim nieco bardziej zaawansowane konstrukcyjnie, a więc droższe, kolektory rurowe próżniowe. Są to ustawione równolegle względem siebie szklane rury o średnicy 5-10 cm łączone w baterie. W każdej rurze znajduje się osobna rurka z absorberem – płaskim lub naniesionym na powierzchnię rury (rozwiązanie tańsze, ale mniej doskonałe ze względu na brak bezpośredniego kontaktu absorbera z rurką z płynem).

Próżnia wokół absorbera stanowi jego izolację. Nie występuje konwekcja (transport ciepła wynikający z ruchu powierzchni materii), dzięki czemu straty ciepła z absorbera są znacznie mniejsze. Do tego absorber szybciej się ogrzewa, bo ciepło nie jest tracone na podgrzanie powietrza wokół absorbera. Kolektory rurowe mogą się składać z podwójnych rur (rura w rurze) – próżnia jest między dwiema warstwami szkła – albo z pojedynczych rur próżniowych. Przez znajdującą się w szklanej rurze zamocowanej do absorbera rurce może przepływać roztwór glikolu (jak w kolektorach płaskich), ale są też konstrukcje z tak zwaną rurką cieplną (Heat pipe). Rurka jest wtedy z obu stron zamknięta zamknięta i wypełniona płynem parującym w niskiej temperaturze (około 25°C). Płyn podgrzany promieniami słonecznymi w dolnej części rurki odparowuje i unosi się do znajdującego się na górnym końcu kondensatora. Ten jest z zewnątrz omywany glikolem krążącym w instalacji solarnej. Na skutek tego para płynu w kondensatorze jest schłodzona (oddaje ciepło glikolowi), więc się skrapla i spływa po wewnętrznej ściance rurki cieplnej, gdzie ponownie odparowuje i cały cykl się powtarza.  Aby było to możliwe, kolektory powinny być pochylone pod kątem około 20°. Wykorzystanie zjawiska przemiany fazowej (parowania i skraplania) pozwala na zwiększenie sprawności kolektora słonecznego.

Niektóre kolektory rurowe mają zwierciadła odbijające promienie słoneczne tak, by padały na absorber nie tylko z wierzchu, ale i od spodu. Dzięki temu temperatura cieczy w instalacji może znacznie przekraczać 100°C. W domowych warunkach nie jest to potrzebne, dlatego tego typu urządzenia mają zastosowanie głównie w przemyśle.

ZDANIEM EKSPERTA

Kolektory słoneczne - głównie ciepła woda

Przy zastosowaniu odpowiedniej liczby kolektorów i sprzyjającej pogodzie instalacja solarna jest w stanie w całości pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Ale nie można zakładać, że zawsze będą sprzyjające warunki do pracy kolektora. Dlatego to rozwiązanie należy traktować jako uzupełniające.

Tym bardziej że w Warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, znajduje się zapis, który mówi, że w instalacji c.w.u. okresowo musi być możliwość podniesienia temperatury w punkcie czerpania wody do co najmniej 70°C. Ma to zapobiec występowaniu w instalacjach bakterii Legionella. Wprawdzie kolektory słoneczne pozwalają uzyskać w zasobniku nawet wyższą temperaturę, ale tylko w sprzyjających warunkach pogodowych. A na te nie mamy żadnego wpływu. Aby instalacja c.w.u. spełniała wymogi przepisów, musi być możliwość okresowego dogrzewania wody przygotowywanej w zasobnikach zasilanych przez kolektory słoneczne.

Dariusz Tomaszewski

Przeczytaj dodatkowo:
Kiedy zainwestować w gruntową, a kiedy w...

Zmniejszenie kosztów ogrzewania w najbliższym sezonie to marzenie każdego. Niektórzy decydują...

Ogniwa fotowoltaiczne. Zastosowanie w domu

Ogniwa fotowoltaiczne zmieniają energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Można z nich...

Ogrzewanie domu pompą ciepła na działce bez...

Jednym z nowoczesnych sposobów ogrzewania domu jest instalacja z pompą ciepła. Najbardziej popularne...

Pompa ciepła – zalety, koszty, zasady działania...

Dowiedz się, jakie zalety posiada pompa ciepła. Poznaj zasady działania tego typu systemów grzewczych...

Jaki falownik wybrać do instalacji...

Falownik można porównać do serca i centralnego układu nerwowego instalacji fotowoltaicznej. Dlatego...