Kolektory słoneczne zamieniają energię słoneczną na energię cieplną. Uzyskana w ten sposób energia cieplna gromadzona jest w zasobnikach, za pośrednictwem których może być wykorzystywana do ogrzewania mieszkań i do produkcji ciepłej wody.
W warunkach geograficznych Polski instalacje solarne najczęściej wykorzystywane są do podgrzewania wody użytkowej. Pozwalają zaoszczędzić całorocznie ok. 60% energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody i sezonowo do 90% energii potrzebnej do podgrzewania wody w basenach kąpielowych.
Kolektory można podzielić na:
płaskie: gazowe, cieczowe, dwufazowe, rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury).
Kolektory słoneczne: płaskie i rurowe
Budowa i zasada działania kolektora slonecznego
Płaski kolektor słoneczny jest najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym urządzeniem, stosowanym w tym celu.
Zasada działania kolektora słonecznego polega na zamianie (konwersji) energii promieniowania słonecznego w ciepło i przekazanie go czynnikowi roboczemu.
Elementem, w którym następuje przekazanie tej energii jest absorber. Większość kolektorów przykrytych jest szybą solarną. Im więcej promieniowania słonecznego przepuści szyba, tym więcej dotrze go do absorbera. Absorber nagrzewając się, pochłania przepuszczone promieniowanie słoneczne. Ciepło jest odbierane z płyty absorbera przez czynnik roboczy, płynący w zintegrowanym z absorberem, najczęściej miedzianym, rurociągu. Podczas jednokrotnego przepływu, temperatura czynnika rośnie zwykle o kilka do kilkunastu stopni. Przyrost temperatury zależy od natężenia promieniowania słonecznego docierającego do absorbera i prędkości przepływu czynnika roboczego przez rurociąg w absorberze.
Czynnikiem roboczym może być woda, ale w przypadku całorocznego użytkowania kolektorów słonecznych należy zastosować płyn niezamarzający.
W celu zredukowania strat energii stosuje się płyty osłonowe oraz izolację cieplną odwrotnej strony płaskiego kolektora ze styropianu lub wełny mineralnej.
Jako materiał konstrukcyjny absorbera stosuje się: miedź, aluminium, stal lub mosiądz. Lekka i szczelna konstrukcja kolektorów umożliwia ich montaż zarówno w połaci dachowej, na stelażu nad dachem jak i na fasadzie budynku.
Systemy solarne mogą zamiast cieczy wykorzystywać powietrze jako czynnik unoszący ciepło. Własności fizyczne powietrza są zasadniczo różne niż stosowanych w układach słonecznych cieczy, co powoduje, że:
- powietrze nagrzewa się szybciej, przez co temperatura użyteczna będzie osiągana już przy mniejszych poziomach nasłonecznienia,
- w systemach powietrznych magazynowanie ciepła będzie droższe, a transport energii powinien odbywać się bezpośrednio,
- odbiór ciepła z absorbera przez powietrze jest mniej wydajny niż w przypadku cieczy,
- wymagane jest większe natężenie przepływu czynnika, co wymaga zużycia większej ilości energii elektrycznej.
Głównym elementem kolektora próżniowego są szklane rurki absorbujące – dwuścienne rurki szklane. Pomiędzy ściankami: wewnętrzną i zewnętrzną tych rurek istnieje próżnia. Wewnętrzna rurka szklana ma selektywną powłokę absorbującą. Próżnia pozwala na uniknięcie niezamierzonych strat ciepła. Kilka rurek połączonych szeregowo lub częściej przez rozdzielacz tworzą kolektor słoneczny. Tylna ścianka kolektora wykonana jest z lustrzanej stali dzięki czemu rurki kolektora są naświetlane także z kierunku przeciwnego do kierunku padania promieni słonecznych, co pozwala na wykorzystanie również promieniowania rozproszonego.
Zaletą kolektorów próżniowych są wysokie temperatury uzyskiwane przez czynnik grzewczy, rzędu 150oC, tak że kolektory te mogą służyć do ogrzewania wody oraz do produkcji pary wodnej.
W polskich warunkach klimatycznych kolektory próżniowe wytwarzają energię do 600 kWh na 1m2 kolektora w ciągu roku.
Dobór optymalnego kąta pochylenia kolektora
Największe nasłonecznienie otrzymuje płaszczyzna ustawiona w stosunku do pozornego ruchu Słońca tak, aby promienie padały na nią prostopadle. Sterowany mechanicznie układ nadążny zwany heliostatem jest rzadko stosowany w praktyce. Stosuje się niekiedy okresowe (miesięczne) zmiany kąta nachylenia kolektora ciepła do poziomu.
Optymalne nachylenie płaskiej powierzchni absorbującej promieniowanie słoneczne względem płaszczyzny poziomej dla szerokości geograficznej 52oN dla ekspozycji południowej
W przypadku nieruchomych kolektorów i innych układów absorbujących promieniowanie słoneczne, skierowanych na południe, najbardziej korzystnym kątem pochylenia dla okresu ciepłego (od maja do września) jest kąt α≈42,5o, a dla okresu chłodnego (od października do kwietnia) kąt α≈70o względem poziomu.
W przypadku kolektorów próżniowych montaż jest znacznie prostszy, gdyż można je bez zasadniczego wpływu na efektywność, zamontować na fasadzie budynku lub na płaskim dachu bez konstrukcji wsporczej. Oczywiście jest to mniej efektywny montaż niż pod kątem optymalnym w kierunku południowym.
Sprawność kolektora
Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości energii promieniowania słonecznego, docierającego do kolektora. Sprawność kolektora spada wraz ze wzrostem różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem.
Wykres (Rys.5) przedstawia zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur (różnica średniej temperatury czynnika i temperatury otoczenia podzielona przez gęstością promieniowania słonecznego) a sprawnością kolektora.
Charakterystyka sprawności kolektora słonecznego płaskiego
Projektowanie instalacji
Prawidłowo zaprojektowana instalacja może w warunkach polskich, w okresie od maja do września, niemal całkowicie pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową bez konieczności stosowania dodatkowych źródeł energii.
Instalacja solarna stanowi zespół dobranych do siebie urządzeń takich jak: kolektory słoneczne, układ sterująco - zabezpieczający i zasobnik wody użytkowej (lub przepływowy wymienniki ciepła).
Obliczenia należy wykonać, biorąc pod uwagę:
- nasłonecznienie w danym regionie,
- indywidualne zużycie ciepłej wody, (np. dla gospodarstwa domowego będzie to liczba osób w rodzinie pomnożona przez średnie zużycie ciepłej wody – przyjmuje się od 50-60 litrów na dobę na osobę),
- pożądaną temperaturę ciepłej wody (przyjmuje się 45oC).
Przykład obliczenia znajduje się na stronie: www.termospec.pl/Kolekrory-obliczenia.htm .
Niewątpliwe korzyści daje stosowanie kolektorów słonecznych w krajach o dużych zasobach energii słonecznej. W Europie są to: Włochy, Francja i obszary południowych Niemiec. Również w warunkach klimatycznych Polski instalacje te są coraz chętniej stosowane do ogrzewania wody, szczególnie w miesiącach letnich.
Zdjęcia przykładowych instalacji kolektorowych na świecie można obejrzeć na stronie: http://www.apricus.com/html/photo_gallery_all.htm , .
dr hab. inż. Ewa Klugmann-RaPolitechnika Gdańska, Wydział Chemii,Katedra Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego
Źródło: Fundacja Poszanowania Energii w Gdańsku