Kolektory słoneczne: kolektor płaski czy próżniowy?

Kolektory płaskie

Mają małą sprawność i stosuje się je wyłącznie do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Najprostsze z nich wyposażone są w absorber pokryty czarnym lakierem, ich sprawność jest niewielka ze względu na duże straty ciepła przez promieniowanie absorbera i konwekcję spowodowaną ruchem powietrza wewnątrz obudowy kolektora. Bardziej efektywne mają absorber pokryty warstwą selektywną. Sprawność takich kolektorów płaskich wynosi 25-35%. Stosuje się je do przygotowywania c.w.u. latem, wspomagają ogrzewanie wiosną i jesienią. Ich zaletą jest przystępna cena. Są również w sprzedaży kolektory płaskie próżniowe, w których, w przeciwieństwie do zwykłych kolektorów płaskich, nie ma strat ciepła związanych z konwekcją. Dzięki temu ich sprawność wzrasta do 45%. Ponadto w ich wnętrzu nie wykrapla się para wodna z powietrza i ich elementy wolniej korodują. Niestety raz na kilka lat należy ponownie wytwarzać w nich próżnię.

Kolektory rurowo-próżniowe

Są tak skonstruowane, że pochłaniają nie tylko promieniowanie słoneczne bezpośrednie, lecz także promieniowanie rozproszone. Dzięki temu można je wykorzystywać również zimą. Ich sprawność wynosi ok. 60-65%. Dostępne są też kolektory wyposażone w paraboliczne zwierciadła, które absorbują nawet promieniowanie padające pod niekorzystnym kątem – wieczorem i rano. Przepływający przez nie czynnik może osiągać temperaturę znacznie powyżej 100°C, dzięki czemu są wykorzystywane w instalacjach przemysłowych.

Zalety kolektorów próżniowych w porównaniu do kolektorów płaskich:

• absorber oddzielony jest od otoczenia próżnią, dzięki czemu nie ma strat ciepła na konwekcji;
• absorber próżniowy nagrzewa się szybciej w chłodne dni, gdyż nie ma strat energii na ogrzewanie powietrza znajdującego się w kolektorze;
• wyłapuje promieniowanie rozproszone, dzięki czemu ogrzewa wodę także w dni pochmurne;
• mają większą trwałość, gdyż w ich wnętrzu nie wykrapla się para wodna z powietrza i ich elementy wolniej korodują.

Jakiej wielkości powinien być kolektor słoneczny?

W Polsce kolektory słoneczne wykorzystuje się głównie do przygotowywania ciepłej wody użytkowej i wody do basenu, rzadziej do ogrzewania budynków. Okres największego nasłonecznienia (pomiędzy marcem a październikiem) nie pokrywa się z sezonem grzewczym, który zaczyna się w październiku, a kończy w kwietniu. Jednak firmy oferują też kolektory słoneczne o specjalnej konstrukcji (próżniowe), które umożliwiają wykorzystywanie promieniowania słonecznego zimą do ogrzewania domów. Są to często systemy w pełni zintegrowane z systemem centralnego ogrzewania, oferowane przez firmy sprzedające kompletne systemy grzewcze. Kolektory słoneczne mogą też służyć do wspomagania centralnego ogrzewania w okresach przejściowych – wiosną i jesienią, dzięki czemu można krócej korzystać z tradycyjnego ogrzewania i w ten sposób obniżyć jego koszty.  Przyjmuje się, że instalacja solarna powinna pokryć 60-70% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u. i do 30% zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Gdyby miała zapewnić 100% ciepła, kolektory musiałyby mieć bardzo dużą powierzchnię, co zwiększyłoby znacznie koszty inwestycyjne, a jednocześnie nie dałoby się tego w pełni wykorzystać.  Na każdego mieszkańca domu powinno przypadać około 1-1,5 m² powierzchni kolektora. Instalacje solarne współpracujące z centralnym ogrzewaniem powinny pokrywać 20-30% zapotrzebowania domu na ciepło, co orientacyjnie odpowiada 0,3-0,5 m² kolektora na 1 m² domu. Powierzchnia kolektorów do ogrzewania wody basenowej powinna stanowić 40% powierzchni lustra wody w basenie krytym i około 70% – w otwartym. Przykładowo dla domu jednorodzinnego o powierzchni 150 m² z basenem o powierzchni 40 m² (4 x 10 m), zamieszkiwanego przez cztery osoby, należy zamontować kolektor:

• o powierzchni 4-6 m² do przygotowywania c.w.u.;
• o powierzchni 45-75 m² do celów grzewczych;
• o powierzchni 16 m² do ogrzania wody w basenie krytym;
• o powierzchni 28 m² do ogrzania wody w basenie otwartym.

Na jakie parametry warto zwracać uwagę, kupując kolektor?

• współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego. Powinien być jak najwyższy. Wartość 0,95 oznacza, że kolektor pochłania 95% docierającego do niego promieniowania słonecznego;
• współczynnik emisji – powinien być jak najniższy. Oznacza bowiem straty energii pochłoniętej przez absorber;
• sprawność cieplna kolektora. To ilość energii pochłoniętej przez kolektor w stosunku do ilości energii docierającej do niego;
• wielkość powierzchni czynnej kolektorów.

Sprawność i wydajność kolektora

Chociaż są to parametry stosowane wymiennie, przyjmuje się, że sprawność dotyczy parametrów technicznych kolektora, a wydajność kolektora oznacza efektywność pracy całej instalacji. Sprawność kolektora zależy od budowy kolektora: materiału, z jakiego został wykonany, zastosowanego absorbera, izolacji termicznej, sposobu poprowadzenia rur w kolektorze. W parametrach technicznych urządzenia należy sprawdzić, jaki jest współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego (powinien wynosić ok. 0,95) i współczynnik emisji (maks. 0,1). Wydajność kolektora zależy od poprawności zaprojektowania instalacji solarnej, np. doboru średnic przewodów w całej instalacji i ilości czynnika roboczego, a także od warunków nasłonecznienia: częstotliwości i intensywności promieniowania słonecznego, prędkości i kierunku wiatru, temperatury otoczenia oraz zgodności założeń projektowych dotyczących dziennego zapotrzebowania na c.w.u. z rzeczywistym zużyciem. Warto pamiętać, że im wyższa ma być temperatura ogrzanej wody, tym niższa jest wydajność zamiany energii promieniowania słonecznego w energię cieplną.

Inne elementy instalacji solarnej

• Zasobnik: Służy do gromadzenia ciepła uzyskanego z kolektora w postaci ciepłej wody. 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. W układach solarnych podgrzewających wodę użytkową zasobnik jest konieczny ze względu na przesunięcie w czasie między porą największej wydajności kolektora – w godzinach 9-15 – a czasem maksymalnego zapotrzebowania na ciepłą wodę. 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. Zasobniki do instalacji solarnych mają pojemność min. 200 l. Tyle 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.Trzeba też mieć możliwość podgrzania wody w inny sposób, na przykład za pomocą grzałki elektrycznej lub kotła gazowego (olejowego), gdyby zasobnik został całkiem opróżniony. W układach do przygotowania ciepłej wody i wspomagania centralnego ogrzewania zasobnik umożliwia współpracę kotła jako podstawowego źródła ciepła z kolektorem słonecznym jako układem wspomagającym. W ten sposób można obniżyć koszty ogrzewania, ograniczając zużycie paliwa, i jednocześnie w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania domu w okresach, kiedy jest ono największe (zimą), a ilość promieniowania słonecznego jest niewystarczająca. System dualny z kolektorem słonecznym jako uzupełniającym źródłem ciepła jest bardzo dobrym, jednak drogim rozwiązaniem.

• Automatyka: dobra automatyka pozwoli obniżyć koszty uzyskania c.w.u. i c.o. Jest niezbędna do skoordynowania działania układu złożonego z kolektora i kotła lub grzałki elektrycznej. Gdy brakuje ciepła z kolektora, włącza drugie źródło ciepła. W bardziej rozbudowanych układach automatyki można zamontować czujniki temperatury wody w zasobniku, temperatury w kolektorze i nasłonecznienia. Na podstawie tych danych będzie załączana pompa cyrkulacyjna i urządzenia dogrzewające.Pozwoli to ustawiać parametry pracy instalacji, takie jak: temperatura wody w zasobniku, maksymalna temperatura c.w.u., ograniczenie pracy kotła w ciągu dnia, i monitorować pracę systemu. Jednak zastosowanie bogatszej automatyki zwiększy koszt całej instalacji.

• Pompa obiegowa: Jest ważnym elementem instalacji, gdyż wymusza przepływ czynnika grzewczego przez kolektory. Jej dobór to zadanie projektanta instalacji.

• Naczynia wzbiorcze: czynnik grzewczy w układzie zmienia swoją temperaturę, czemu towarzyszy zmiana jego objętości. Aby zapobiec zniszczeniu instalacji, należy stosować naczynie wzbiorcze z membraną odporną na wodę, glikol lub olej (muszą mieć odpowiednie dopuszczenia). Oprócz tego instalacja powinna być zabezpieczona zaworem bezpieczeństwa, aby w razie wrzenia czynnika grzewczego i wzrostu ciśnienia nie nastąpiło uszkodzenie kolektora.