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.
Przeczytaj także: FALOWNIK - serce instalacji fotowoltaicznej. Jaki wybrać?
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
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.
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.
WIDEO: Montaż płaskich kolektorów słonecznych
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.
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
