Kolektory słoneczne

Słońce, Sol (łac.), Ilios (grec.) Jest gwiazdą w centrum naszego układu planetarnego. Jednocześnie gwiazda ta stanowi niepodważalne źródło energii niezbędnej dla podtrzymania życia na naszej ukochanej planecie Ziemi. W niemal wszystkich kulturach starożytnych ogień, który można przyjąć że pochodzi od Słońca, wchodził w skład podstawowych żywiołów. Ogień w kulturze europejskiej był dobroczynny a zarazem niebezpieczny.

clip_image001

„Ogień świątynny rozpalano od ognia niebiańskiego – Słońca – za pomocą soczewki”

clip_image003

Rozwój cywilizacyjny, a co za tym idzie, w ostatnich dekadach, rozwój różnych technologii, dał nam możliwość dodatkowego wykorzystania energii związanej z promieniowaniem słonecznym. Energia słoneczna zaliczana jest do tak zwanych odnawialnych źródeł energii. Biorąc pod uwagę fakt, że człowiek głównie eksploatował i eksploatuje w sposób beztroski nieodnawialne źródła energii, czyli źródła, których wykorzystanie postępuje znacznie szybciej niż naturalne odtwarzanie, wielką pokusą dla niego stało się pozyskanie, przetworzenie i wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych takich jak:

  • energia wód
  • energia geotermalna
  • energia wiatru
  • biomasa (drewno, słoma, odchody zwierząt)
  • biogaz
  • energia słoneczna

  Całkowita energia, jaką promieniowanie słoneczne przenosi w jednostce czasu przez zorientowaną prostopadle jednostkową powierzchnię ustawioną w średniej odległości Ziemi od Słońca jeszcze przed wejściem promieniowania do atmosfery, to wartość nazywana stałą słoneczną, która wynosi około 1366 W/m2. Podczas przenikania promieniowania słonecznego przez warstwy atmosfery ziemskiej zachodzą procesy rozpraszania, pochłaniania i odbijania fal elektromagnetycznych przez co do powierzchni Ziemi dociera tylko część promieniowania. Dobrze jest jednak umieć wykorzystać to dochodzące do nas promieniowanie. Promieniowanie całkowite dochodzące do powierzchni ziemi na terenie Polski (więcej informacji): clip_image005 Do urządzeń przetwarzających energię promieniowania słonecznego zaliczyć możemy między innymi baterie i kolektory słoneczne. My skupimy swoją uwagę na podstawowych dwóch typach kolektorów słonecznych:

  • kolektorach płaskich
  • kolektorach próżniowo – rurowych

  Kolektory są odbiornikami elektromagnetycznego promieniowania słonecznego, w których następuje zamiana odbieranej energii na ciepło. Rodzaje promieniowania, które do nas dociera clip_image006 Kolektory płaskie Kolektor płaski firmy Hewalex

  clip_image008 Dobre kolektory płaskie powinny wyróżniać się następującymi cechami:

  • budowa i wykonanie kolektora powinny być zgodne z wymaganiami przedmiotowej normy EN-PN-12975-1
  • szyba osłonowa powinna posiadać możliwie największą zdolność przepuszczalności dla szerokiego widma promieniowania słonecznego
  • pokrycie na powierzchni absorbera powinno zapewniać możliwie największą zdolność pochłaniania (absorpcji) promieni słonecznych
  • pokrycie na powierzchni absorbera powinno zapewniać możliwie najmniejszą emisję ciepła z gorącego absorbera
  • obudowa absorbera (izolacja cieplna) powinna w maksymalnym stopniu zmniejszać straty przez konwekcję ciepła z gorącego absorbera

  Kolektor płaski firmy Junkers linia EXCELLENCE

  • rozprowadzenie rurek miedzianych w układzie meandrowym

  clip_image010 Płaskie szyby osłonowe dla płaskich kolektorów słonecznych wytwarzane są ze szkła nisko-żelazowego. Najwyższej jakości szkło solarne zwiera poniżej 0,01 % związków żelaza. Szyby solarne produkowane w technologii „Float” posiadają obustronnie gładką powierzchnię zaś szyby produkowane w technologii „pryzmatycznej” obie powierzchnie mają albo szorstkie albo z wyraźnym wzorem i charakteryzują się niższym współczynnikiem odbicia fal elektromagnetycznych. Pod szybą osłonową znajduje się powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym, które jest przewodnikiem ciepła na drodze od powierzchni absorbera do szyby. Straty ciepła są więc proporcjonalne do wielkości okna, przez które promieniowanie słoneczne trafia do absorbera. Ścianki boczne i dno obudowy kolektora są izolowane cieplnie najczęściej wełną mineralną. Na rynku są dostępne również kolektory płaskie, z których w fazie produkcji „wypompowywane” zostaje powietrze z wewnątrz obudowy kolektora. Można założyć, że przynajmniej w fazie zakupu (po zejściu z produkcji) w środku kolektora mamy warunki zbliżone do próżni co stanowi lepszą izolację. Absorbery kolektorowe produkowane są z miedzi przewodowej charakteryzującej się wysokim przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Jeśli chodzi zaś o pokrycia absorbujące promieniowanie słoneczne na powierzchni zewnętrznej absorbera miedzianego, to możemy zasadniczo wyróżnić dwa rodzaje:

  • czarny chrom nakładany galwanicznie
  • pokrycia innymi metalami np.: poprzez bombardowanie powierzchni absorbera jonami innych metali w komorach próżniowych ( powłoka TiNOx jako tlenkowa warstwa Tytanu i Krzemu, powłoka ALANOD-Sunselect jako pokrywa aluminiowo-miedziana, SUNSTRIP – inna odmiana powłoki aluminiowo – miedzianej )

  Kolektor płaski firmy Biawar linia SIRIUS

  clip_image012 Kolektory próżniowe Rury próżniowe produkowane są ze szkła borowo-krzemowego odpowiednio hartowanego i mają obustronnie gładką powierzchnię, więc w porównaniu do szyb obustronnie szorstkich, które wykorzystuje się przy produkcji większości kolektorów płaskich, charakteryzują się niższą sprawnością optyczną. Jeśli chodzi o izolację kolektorów rurowych to stanowi ją próżnia wypełniająca przestrzeń pomiędzy dwoma koncentrycznymi szklanymi rurami otaczającymi absorber. Ten sposób izolowania jest niewątpliwie bardziej skuteczny niż w przypadku kolektorów płaskich. Jeżeli jako kryterium podziału przyjmiemy sposób odebrania ciepła z kolektora, zasadniczo możemy wyróżnić trzy typy kolektorów rurowo-próżniowych:

    • kolektory oparte na rurach z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego ( U – rurka) tutaj przepływ czynnika następuje przez U-rurkę z absorberem naniesionym na zewnętrzną ściankę wewnętrznej podwójnej rury szklanej

clip_image014

    • kolektory oparte na rurach „cieplnych” typu Heatpipe w których rura miedziana jest umieszczona w środku rury próżniowej a w niej znajduje się czynnik o niskiej temperaturze wrzenia, z dwufazową wymianą ciepła i z absorberem naniesionym na zewnętrzną ściankę wewnętrznej podwójnej rury szklanej

clip_image015

  • kolektory oparte na rurach „cieplnych” typu Direct-Flow

clip_image016

    • 1. Rurka doprowadzająca zimny czynnik
    • 2. Rurka odprowadzająca ogrzany czynnik
    • 3. Zewnętrzna część rury próżniowej
    • 4. Przestrzeń próżni
    • 5. Wewnętrzna część rury próżniowej
    • 6. Przestrzeń powrotu ogrzanego czynnika
    • 7. Wypełnienie rury próżniowej

  Jeżeli zaś jako kryterium podziału przyjmiemy sposób konstrukcji warstwy izolacyjnej to nie wdając się już w bliższe szczegóły możemy wyróżnić:

  • kolektory jednościenne składające się z pojedynczych rurek szklanych, które wypełnia próżnia, w środku których znajdują się elementy absorbujące – najczęściej jest to cienka blacha miedziana lub aluminiowa pokryta warstwą absorbującą, które przekazują ciepło do szyny zbiorczej kolektora
  • kolektory dwuścienne zbudowane z podwójnych rurek szklanych

  Kolektory próżniowe czy też płaskie ? Na to pytanie niestety nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Z pewnością bardzo dobrze i dokładnie wykonane kolektory próżniowe mają zdecydowanie większą sprawność w porównaniu z kolektorami płaskimi, a to oznacza, że przy tej samej powierzchni czynnej absorbera powinniśmy odzyskiwać nawet do 30 % energii słonecznej średniorocznie więcej. Porównując te dwa rodzaje kolektorów musimy pamiętać, że przy pojawieniu się odpowiednio niskiej temperatury powietrza panującej na zewnątrz, kolektor płaski przestaje praktycznie w sposób istotny odbierać energię promieniowania słonecznego podczas gdy kolektor próżniowy może jeszcze pracować. I właśnie fakt, że w zimę i na dodatek nie tylko przy bezchmurnym niebie, kolektor próżniowy może odzyskiwać część energii, ma wpływ na pojawiającą się różnicę w średniorocznym odzysku energii słonecznej. Jednak produkcja kolektorów próżniowych jest bardziej zaawansowana technologicznie. Stawiane bardzo restrykcyjne wymogi związane z koniecznością spełnienia pewnych założeń teoretycznych, odnośnie tego jak mają być wykonane poszczególne elementy wchodzące w skład kolektora próżniowego aby uzyskać najlepsze z możliwych rezultaty pracy tych kolektorów, powodują że stosunkowo niewielka ilość tych kolektorów na naszym rynku pod względem jakościowym jest zadowalająca. Do tego wszystkiego należy dodać, że obecnie nawet 80% światowej produkcji rur próżniowych ma miejsce w Chinach. Dochodzi więc dodatkowo aspekt zapewnienia odpowiedniego i należytego nadzoru technicznego w fazie ich produkcji. Często jednak jest tak, że w przypadku wielu kolektorów próżniowych zalewających nasz rynek nie znamy ich „pochodzenia”. Niewątpliwą zaletą kolektora próżniowego, nie tylko dla inwestora ale również dla instalatora, jest zdecydowanie łatwiejszy a więc i szybszy jego montaż. Istotną rolę przy wyborze odpowiedniego rozwiązania musi odgrywać również cena. Jak już upewnimy się co do jakości wybranych do porównania produktów, warto zastanowić się nad pieniędzmi, które musimy przeznaczyć na jednostkowy zakup 1 m2 powierzchni czynnej absorbera. Pamiętajmy jednak, że firmy określając powierzchnię czynną absorbera głównie w kolektorach próżniowych dokonują często nadużyć, np.: do obliczeń powierzchni przyjmując często średnicę rury a nie średnicę zewnętrzną wewnętrznej ścianki podwójnej rury na który napylony został absorber. Analizując nasz najlepszy dostęp do wybranych przez nas typów kolektorów równocześnie znając jego cenę a także przeznaczenie, w przybliżony i prosty sposób możemy określić stopę zwrotu dokonywanej inwestycji. Dla przykładu: jeżeli przeznaczeniem naszych kolektorów będzie przetwarzanie energii słonecznej i spożytkowanie jej na wspieranie produkcji ciepłej wody użytkowej dla średniej wielkości domku jednorodzinnego zamieszkiwanego przez 4 osoby, przyjąć możemy zasadę, że odpowiednio dobrany i skonfigurowany zestaw kolektorów płaskich wraz z odpowiedniej pojemności zasobnikiem dwuwężownicowym powinien pokryć nam od 45 do 55 % całorocznego zapotrzebowania energii. Mając świadomość, że odpowiednio skonfigurowany zestaw z kolektorami próżniowymi będzie miał wyższą sprawność średnioroczną możemy sobie obliczyć stopę zwrotu obydwóch zestawów. Pamiętajmy również o tym, że wszelkich obliczeń dokonujemy w odniesieniu do kosztów jakie byśmy ponieśli podgrzewając wodę przy wykorzystaniu paliw konwencjonalnych takich jak gaz ziemny, gaz płynny czy też olej opałowy, a niestety dzisiaj nie znamy faktycznie tempa zmian cen tychże paliw. Jakieś założenie co do zmian cen w czasie musimy jednak przyjąć. Bardzo istotnym czynnikiem, który może i powinien wpłynąć na podjęcie przez nas decyzji o zakupie układu kolektorów, jest pojawienie się możliwości skorzystania z dofinansowania w formie dotacji, a więc częściowego zwrotu kosztów. Może się zdarzyć, że będziemy mieli możliwość skorzystania ze zwrotu poniesionych nakładów nawet w wysokości 80%. Wówczas nie ma się faktycznie nad czym zastanawiać a jedynie skupić się na wyborze najbardziej optymalnego rozwiązania. Przykład zastosowania lustra parabolicznego w kolektorze próżniowym w celu podniesienia sprawności odzysku energii promieniowania słonecznego. clip_image018 Wybór trybu pracy kolektorów Jest to kolejne zagadnienie, z którym związana jest konieczność odpowiedzenia sobie na parę pytań, które w tym momencie się pojawiają:

  • czy wspieramy produkcję jedynie ciepłej wody użytkowej
  • czy próbujemy wykorzystać energię przy użyciu kolektorów, którą spożytkujemy w instalacji centralnego ogrzewania
  • kiedy co się nam opłaci

W większości wypadków, przy okazji budownictwa jednorodzinnego, kolektory słoneczne wykorzystujemy do przetworzenia energii słonecznej na ciepło potrzebne do ogrzania ciepłej wody użytkowej. W przypadku instalacji centralnego ogrzewania w sezonie grzewczym, czyli wtedy kiedy musimy ogrzewać wodę, którą „posyłamy” do domowych odbiorników cieplnych takich jak np.: grzejniki płytowe czy też grzejniki podłogowe, mamy do czynienia z naturalnych przyczyn z deficytem energii słonecznej. Aby móc w sposób istotny „zbierać, przetwarzać i kumulować” energię słoneczną w tym trudnym okresie, należy znacznie podnieść liczbę kolektorów jak również powiększyć pojemność bufora wodnego, co wiąże się ze znacznym podniesieniem kosztów inwestycyjnych. Jednak istnieją zdecydowanie dwa przypadki, w których inwestycja w instalację solarną wspierającą instalację centralnego ogrzewania, zdecydowanie się opłaca:

  • przypadek kiedy musimy utrzymywać odpowiednią temperaturę wody basenowej
  • przypadek kiedy źródłem ciepła jest pompa ciepła wraz z „dolnym źródłem” w postaci poziomego wymiennika gruntowego lub pionowego wymiennika „ułożonego” po dokonaniu odwiertów

W obydwóch opisanych powyżej przypadkach przetwarzamy promieniowanie słoneczne w chwili gdy jest ono najintensywniejsze w skali roku. Również rozwiązujemy problem, który może pojawić się właśnie latem związany z przegrzewami instalacji solarnej. Nadmiar ciepła zawsze mamy gdzie „zrzucić”. W pierwszym wypadku odbiornikiem ciepła staje się wymiennik basenowy, w drugim zaś dolne źródło, które ogrzewając regenerujemy. Przykład zastosowania instalacji solarnej do wsparcia: produkcji c.w.u. oraz dostarczania ciepła do instalacji c.o. clip_image020

  Gdzie i jak kolektory zamontować ? Są generalnie trzy wytyczne, które należy respektować.

    • Po pierwsze Kolektory musimy zamontować w miejscu nie zacienionym czyli w takim, w którym zapewnimy przez zdecydowanie znaczącą część roku padanie promieni słonecznych na cały kolektor. Nie montujemy więc w miejscach tj.: zacienionych przez drzewa, przy wykuszach, zbyt blisko ścian sąsiadujących budynków, itd.  Przykład błędnego wyboru miejsca montażu w przestrzeni zacienionej

clip_image022

    • Po drugie Zapewnić musimy najbardziej właściwą orientację kolektorów jeśli chodzi o stronę świata. Kolektory kierujemy więc jak najbardziej na południe. Dopuścić możemy jednak nieznaczne odchylenie kolektora od kierunku południowego ± 30o
    • Po trzecie Ze względu na szerokość geograficzną na jakiej położony jest nasz obiekt, na którym montowane mają być kolektory, a więc ze względu na to, że znane jest zmieniające się położenie Słońca w każdym dniu roku kalendarzowego na mapie nieba, obowiązkiem naszym jest zapewnienie optymalnego pochylenia płaszczyzny kolektora względem płaszczyzny ziemi tak aby zmaksymalizować całoroczny odzysk energii promieniowania słonecznego. Przyjmijmy więc kąt optymalny wahający się w granicach od 35 do 45o

Wpływ orientacji i nachylenia na napromieniowania

clip_image024

Dobór i wycena systemu solarnego