Kolektory słoneczne


Kolektor słoneczny jest urządzeniem służącym do konwersji, czyli zamiany energii promieniowania słonecznego na ciepło. Nośnikiem energii cieplnej w kolektorze może być ciecz ( glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).

Podział kolektorów słonecznych

Kolektor płaski


Kolektor płaski – bierze swoją nazwę ze względu na budowę, w której dominują płaskie powierzchnie przesłony, absorbera i obudowy. Stosunkowo prosta budowa tego typu kolektora przekłada się na korzystny stosunek ceny do uzysku energii. Kolektor płaski jest najczęściej kupowanym typem kolektora na polskim rynku. Zazwyczaj wykorzystywany jest do ogrzewania ciepłej wody użytkowej w półroczu letnim, dogrzewania basenów rzadziej wspomagania centralnego ogrzewania. Wszystkie kolektory płaskie dostępne na rynku charakteryzują się przepływem bezpośrednim cieczy przez kolektor.

Budowa kolektora płaskiego

Zasada działania kolektora płaskiego jest bardzo prosta. Promieniowanie słoneczne padające na absorber, jest pochłaniane i zamieniane na ciepło. Wytworzona na absorberze energia cieplna przekazywana jest do przylutowanych do jego powierzchni miedzianych rurek. Krążąca w rurach ciecz odbiera ciepło i schładza absorber, który w sposób ciągły jest nagrzewany przez słońce.

Kolektory próżniowe rurowe


 

Kolektory próżniowe rurowe biorą swoją nazwę z uwagi na budowę w postaci walcowatych, wydłużonych rur szklanych, które łączone są szeregowo tworząc kolektor. W porównaniu do kolektorów płaskich charakteryzują się bardziej skomplikowaną budową, która przekłada się na lepsze parametry cieplne, wyższy uzysk energii i wyższą cenę. Kolektory próżniowe zazwyczaj wykorzystywane są do podgrzewania ciepłej wody użytkowej i w systemach wspomagania centralnego ogrzewania.

Wśród kolektorów próżniowych można spotkać dwa sposoby odbioru ciepła z absorbera:

• bezpośredni poprzez przepływ cieczy grzewczej przez kolektor,
• pośredni poprzez wykorzystanie ciepłowodu (heat pipe).

Bezpośredni przepływ cieczy przez rurę kolektora próżniowego.

Bezpośredni odbiór ciepła z kolektora próżniowego odbywa się analogicznie jak w kolektorze płaskim. Ciecz grzewcza wpływa do rury kolektora, gdzie stopniowo się nagrzewa odbierając ciepło z absorbera.

 

 

Odbiór ciepła z rury kolektora próżniowego za pomocą ciepłowodu (heat pipe).

Bardzo popularny w kolektorach próżniowych jest pośredni dwu etapowy odbiór ciepła z absorbera potocznie zwany heat pipe – gorąca rurka, ciepłowód (kliknij obrazek aby zobaczyć opis).

W kolektorach wykorzystujących ten system przekazywania ciepła wewnątrz szklanej rury znajduje się tzw. ciepłowód – wydłużony walcowaty zbiornik wypełniony cieczą o niskiej temperaturze wrzenia zbudowany zazwyczaj z miedzi. Pod wpływem promieni słonecznych nagrzany absorber przekazuje ciepło za pośrednictwem wyprofilowanej blachy miedzianej lub aluminiowej do ciepłowodu.

W pierwszym etapie energia ta wykorzystywana jest do odparowania cieczy niskowrzącej, która w postaci gazu kieruje się ku górze gorącej rurki.

W drugim etapie czynnik grzewczy instalacji słonecznej odbiera ciepło od płynu niskowrzącego powodując jego skroplenie. Schłodzony czynnik po powrocie do postaci płynnej spływa na dno gorącej rurki gdzie ulega ponownie nagrzaniu i odparowaniu a proces rozpoczyna się na nowo.

 

Budowa rury kolektora próżniowego

 

Wśród kolektorów próżniowych można spotkać dwa typy budowy próżniowej rury.

  • Kolektory próżniowe rurowe o pojedyńczej rurze (A), charakteryzują się wyższą sprawnością, a przez to wyższą efektywnością pozyskiwania energii słonecznej. Jednak ich budowa wymaga wykonania połączenia metalowo – szklanego z tego względu są mniej odporne na rozszczelnienie i utratę izolującej próżni.
  • Kolektory próżniowe o budowie w postaci podwójnej rury (B) charakteryzują się niższą efektywnością głównie z uwagi na straty podczas przekazywania ciepła między absorberem, a czynnikiem grzewczym. Ich budowa jest jednak bardzo odporna na rozszczelnienie i utratę izolującej próżni.

 

Parametry charakteryzujące kolektory słoneczne

Każdy kolektor słoneczny opisuje kilkanaście parametrów, które charakteryzują jego właściwości cieplne, mechaniczne i fizyczne. W celu porównywania kolektorów pod względem uzysku energii cieplnej konieczne jest, aby były one przebadane na zgodność z normą: PN EN-12975-2, według której wyznaczane są parametry cieplne kolektora oraz jego charakterystyka.

Z punktu widzenia energetycznego najważniejsze są parametry:

ηo – sprawność optyczna kolektora

a1 – liniowy współczynnik strat ciepła przy W/(m² *K)

a2 – nieliniowy współczynnik zależności strat ciepła od temperatury W/(m² *K²)

Sprawność optyczna kolektora – to parametr określający maksymalną ilość energii, jaką kolektor jest w stanie zaabsorbować, przetworzyć na energię cieplną i przekazać do czynnika grzewczego.

Współczynniki a1, a2 to parametry określające właściwości izolacyjne kolektora, im są niższe tym kolektor charakteryzuje się niższymi stratami ciepła.

 

Powierzchnia kolektora

Porównywanie powierzchni kolektorów wbrew pozorom nie jest tak prostą i oczywistą sprawą. W badaniach kolektorów określane są 3 różne powierzchnie:
• Powierzchnia całkowita – nazywana czasami powierzchnią brutto
• Powierzchnia absorbera – nazywana czasami powierzchnią netto
• Powierzchnia apertury – powierzchnia czynna

Powierzchnia całkowita jest to maksymalne pole powierzchni kolektora wraz z ramą. Ma ona znaczenie jedynie z uwagi na warunki montażu i instalacji, niewiele mówi o produkcji energii cieplnej.
Powierzchnia absorbera jest powierzchnią zaprojektowaną do absorpcji promieniowania. W przypadku kolektorów płaskich powierzchnia absorbera jest zbliżona do powierzchni czynnej. W przypadku kolektorów próżniowych powierzchnia absorbera może znacznie różnić się od powierzchni czynnej.
Powierzchnia apertury – powierzchnia czynna – jest to maksymalne pole powierzchni projekcyjnej, przez które nieskupione promieniowanie słoneczne dociera do absorbera.

Pamiętaj !

Porównując powierzchnie kolektorów pod względem uzysku energii cieplnej zawsze należy wykorzystywać powierzchnię apertury.

Szczególnie w przypadku kolektorów próżniowych rurowych w zależności od konstrukcji kolektora różnice między poszczególnymi powierzchniami mogą być bardzo duże.

 

Dobór instalacji kolektorów słonecznych

Instalacje kolektorów słonecznych najczęściej stosowane są do wspomagania ogrzewania ciepłej wody (C.W.U.). Takie zastosowanie wynika z faktu, że zapotrzebowanie na ciepłą wodę jest w miarę stałe przez cały rok, dzięki czemu możliwe jest efektywne zagospodarowanie wysokiego nasłonecznienia w półroczu letnim.
Wykorzystanie kolektorów słonecznych do wspomagania centralnego ogrzewania jest znacznie mniej efektywne. Wynika to z faktu, że najwyższe zapotrzebowanie na ogrzewanie budynku występuje w okresie zimowym, w którym nasłonecznienie jest najniższe w roku.

Przykład obliczeniowy:

Dobór kolektorów dla budynku zamieszkiwanego przez 4 dorosłe osoby

1. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę 40 litrów × 4 osoby = 160 litrów
2. Ilość energii potrzebnej do ogrzewania zadanej ilości wody
Q = 1.16 × 35 × 160 = 6496 Wh = 6.5 kWh/doba
3. Zakładany uzysk energii słonecznej równy 40% zapotrzebowania, pokrycie słoneczne 40%
Qp= 365 × 6.5 kWh × 0.4 = 949 kWh
4. Lokalizacja kolektora – Kraków nasłonecznienie 1090 kWh/m² na rok
5. Współczynnik korekcji nasłonecznienia wynikający z ustawienia kolektorów (kolektory ustawione 45° S) F = 1.23
6. Typ kolektorów słonecznych płaskie – zakładana sprawność instalacji 35%
7. Powierzchnia kolektorów