Czy opłaca się kupować panele słoneczne o większej powierzchni?
Kolektory słoneczne wykorzystują promieniowanie słoneczne docierające na ziemię. Ilość tej energii jest tysiące razy większa niż zapotrzebowanie na nią na całej naszej planecie. Aby ją wykorzystać, trzeba ją najpierw doprowadzić do postaci użytecznej – ciepła lub prądu elektrycznego.
Od czego zależy wielkość kolektorów słonecznych?
Powierzchnia kolektorów słonecznych 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 solarnej, 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 polegającychna 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 słonecznych 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.
Rodzaje kolektorów słonecznych
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 mniż 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 słoneczne 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.
