Kolektory słoneczne - zasada działania i budowa solarów

Z roku na rok rośnie zainteresowanie kolektorami słonecznymi, które potrafią pozyskiwać energię słoneczną i zamieniać ją na ciepło do ogrzewania wody lub nawet pomieszczeń. Poznaj możliwości kolektorów słonecznych. Wyjśniamy, jaka jest ich zasada działania i budowa.

Zobacz galerię 1 zdjęcie

Autor: Galmet

Płaskie kolektory słoneczne (fot. Galmet)

Kolektory słoneczne w domach jednorodzinnych

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.

Budowa kolektora słonecznego

Najwięcej na rynku jest kolektorów płaskich, cieczowych. 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. 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 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, konieczne jest zastosowanie droższych rozwiązań.

Absorber, czyli pochłaniacz ciepła

Jest to płyta pokryta z wierzchu substancją o dużym współczynniku pochłaniania promieniowania słonecznego, ale o małym współczynniku emisji promieniowania cieplnego. W najprostszym wariancie metalowa (niekiedy z tworzywa sztucznego) płyta absorbera jest po prostu pomalowana czarną farbą. Takie rozwiązanie jest tanie, jednak generuje stosunkowo duże straty ciepła przez promieniowanie. Dlatego w kolektorach wyższej klasy stosuje się znane pod różnymi nazwami handlowymi powłoki z czarnego niklu, czarnego chromu, czarnej miedzi albo tlenku tytanu. To oczywiście pociąga za sobą zwiększenie kosztów produkcji, ale i pożytek z kolektorów jest wówczas większy.

Płyn i rurki

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. Ponieważ miedź jest materiałem drogim, zaczęto ją zastępować aluminium. Kolektory z aluminiowymi absorberami i aluminiowymi profilami do transportowania płynu są znacznie tańsze.

Obudowa kolektora

Obudowy kolektorów są najczęściej aluminiowe. Jej spód i boki są izolowane najczęsciej wełną mineralną. Od grubości izolacji zależy wielkość strat ciepła z kolektora. 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 musi przepuszczać promieniowanie słoneczne, dlatego jest przezroczysta. Zazwyczaj 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.

Kolektory rurowe próżniowe

Znacznie rzadziej stosowane niż kolektory płaskie. Są to ustawione równolegle szklane rury o średnicy 5-10 cm łączone w baterie. W każdej 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 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;

• pojedynczych rur próżniowych.

Systemy z rurką cieplną

Przez znajdującą się w szklanej rurze zamocowanej do absorbera rurkę 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 i wypełniona płynem parującym w 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.

Kolektor ze zwierciadłem

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.

Magazynowanie ciepła

Ponieważ zapotrzebowanie na ciepło w domu jest największe wtedy, gdy warunki do pracy kolektrów są najgorsze, konieczne jest magazynowanie przekazywanej przez nie energii. Do magazynowania wody podgrzanej ciepłem z kolektorów słonecznych potrzebny jest zaizolowany termicznie zbiornik. Od ilości zgromadzonej w nim wody zależy to, czy wszyscy domownicy będą mogli się wykąpać w wodzie ogrzanej energią słoneczną, czy też konieczne będzie regularne dogrzewanie jej przez inne źródło ciepła. Zbiornik, czyli zasobnik, to niestety kosztowny element instalacji – tym droższy, im większy. A im większy, tym większa powinna być powierzchnia kolektorów, by mogły dostarczać ciepło w ilości potrzebnej do ogrzania całej jego zawartość do niezbędnej temperatury. Należy się zastanowić, czy zależy ci na maksymalnym wykorzystaniu darmowej energii i jesteśw stanie pogodzić się z dużymi kosztami inwestycyjnymi, czy wolisz tańszą instalację i godzisz się na uzupełnianie niedoborów energii ze źródła konwencjonalnego. W zależności od rodzaju tego źródła (tani opał lub droga energia elektryczna) różnie może wyglądać opłacalność tych rozwiązań.

Możliwości kolektorów próżniowych

Skomplikowana budowa kolektorów próżniowych powoduje, że są droższe od płaskich. W zamian za większy wydatek można oczekiwać, że w niesprzyjających warunkach atmosferycznych (w zimne dni, podczas zachmurzenia) dostarczą więcej ciepła niż kolektory płaskie. Przy ładnej pogodzie dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja powinna zapewnić wystarczającą ilość ciepła, ale zalezy to od rodzaju zastosowanych urządzeń. Nie wszystkie kolektory próżniowe, przykładem mogą tu być kolektory 2-rurowe, oferują wyższe efekty niż kolektory płaskie.

Jak rozmieszczać kolektory?

Zakłada się, że każdy z domowników zużywa dziennie 50 l ciepłej wody o temperaturze 45°C. W uproszczeniu można przyjąć, że do jej podgrzania potrzebny jest kolektor słoneczny o powierzchni absorbera 1 m², ale powinno się wykonać dokładniejsze obliczenia uwzględniające jego sprawność, usytuowanie względem stron świata i mogące występować zacienienie (na przykład przez sąsiednie budynki lub drzewa). Optymalne usytuowanie kolektorów to skierowanie ich w stronę południową i pochylenie pod kątem około 40°. W miejscu, w którym się znajdą, nigdy nie powinno być cienia. Jeśli któregoś z tych warunków nie da się spełnić, trzeba zainstalować kolektory o odpowiednio większej powierzchni, obliczając ją zgodnie z wytycznymi producenta.

Ile kolektorów potrzeba?

Pojedynczy kolektor płaski ma zwykle absorber o powierzchni około 1,8-2 m². W domach jednorodzinnych do podgrzewania wody potrzebne są zatem dwa, trzy, czasami cztery takie kolektory. Pojemność zasobnika na wodę podgrzewaną energią słoneczną powinna być półtora do dwóch razy większa od przewidywanego dziennego zużycia ciepłej wody. Zasobniki do instalacji solarnych mają pojemność od 200 l wzwyż. Najmniejsze nadają się dla rodziny dwuosobowej, dla trzech osób zalecana jest pojemność około 250 l, dla czterech 300 l, ale jeśli wszyscy mieszkańcy chcą się kąpać w dużej wannie, lepiej wybrać jeszcze większe – nawet 500-litrowe, chyba że pogodzisz się z dogrzewaniem wody przez konwencjonalne źródło ciepła.

Piotr Laskowski, Redaktor naczelny