Jak rozpoznać dobry kolektor słoneczny?

Jak kupujący – w zdecydowanej większości laik – ma stwierdzić, iż kupowane przez niego urządzenie jest dobrej jakości, a instalator zapewnia poprawne i niezawodne zamontowanie systemu? Czym ma się kierować aby zapewnić sobie niezawodną, efektywną energetycznie i długą eksploatację?

Kolektory słoneczne już na dobre zadomowiły się w naszych domach. Są często i chętnie stosowane jako źródło wspomagające dogrzewania wody użytkowej, ogrzewania basenu, czy nawet pomieszczeń. Dochodzi do tego, iż stają się one standardem, co jeszcze spotęgowane będzie możliwością uzyskania dofinansowania przez „zwykłego Kowalskiego” – korzystając z programu NFOŚiGW.
Z drugiej strony rynek instalacji słonecznych w ostatnich latach zmienił się diametralnie otwierając się na nowe, liczne podmioty oferujące niemal niezmierzone ilości produktów wszelakiej budowy a także bardzo zróżnicowanej jakości.

Artykuł ten dotyczy oceny jakości występujących kolektorów słonecznych dostępnych w sprzedaży na rynku polskim. Informacje zawarte w artykule będą pomocne dla inwestorów, którzy w gąszczu „bełkotu marketingowego” promującego dany produkt, a dyskwalifikujący konkurenta – nauczą się znajdować potrzebne informacje niezbędne do podjęcia trafnej decyzji przy zakupie najlepszego produktu uwzględniając aspekt techniczny i ekonomiczny.


Jak kupujący – w zdecydowanej większości laik – ma stwierdzić, iż kupowane przez niego urządzenie jest dobrej jakości, a instalator zapewnia poprawne i niezawodne zamontowanie systemu? Czym ma się kierować aby zapewnić sobie niezawodną, efektywną energetycznie i długą eksploatację?
O jakości kolektorów słonecznych zaczyna się mówić coraz częściej i głównie za sprawą powstających w znacznej ilości instalacji (w tym tych „mniej udanych”), wymagań klientów (dotyczących posiadania przez kolektory „jakiegoś świstka”), jak też wzrostu świadomości za czym idzie też wzrost wymagań w stosunku do urządzeń.

Pierwsza część artykułu dotyczy jakości kolektorów z punktu widzenia zgodności z formalnymi aktami prawnymi jak również jakości energetycznej określanej na podstawie badań.
Rzeczywiste zalety techniczne można poznać po odpowiednio przeprowadzonych pomiarach i badaniach potwierdzonych przez niezależne jednostki badawcze.

Certyfikacja
Kolektory słoneczne jak też inne urządzenia czy materiały spełniają określone normy, wymagania.
Najczęściej kolektory nie wymagają obowiązkowych badań, certyfikatów czy też oznaczeń. Wyjątek stanowią urządzenia, w których iloczyn ciśnienia mierzonego w barach i pojemności w litrach przekracza 50. W tym przypadku wyrób taki podlega oznaczeniu CE w myśl dyrektywy ciśnieniowej Nr 97/23/WE z dn. 29 maja 1997 r., (Dz. U. nr 263, poz. 2200), art. 3, par. 3. Spełnienie niniejszych wymagań gwarantuje, iż wyrób wykonany jest zgodnie z najlepszymi praktykami inżynierskimi i gwarantuje bezpieczne jego użytkowanie. W pozostałych przypadkach nie stosuje się oznaczenia CE. Kolektory nie podlegające dyrektywie ciśnieniowej podchodzą pod dyrektywę o ogólnym bezpieczeństwie produktów (Ustawa z dnia 13 stycznia 2007r. Dz. U. nr. 35, poz. 214). Dyrektywa o ogólnym bezpieczeństwie produktów określa wymagania jakie muszą spełniać wyroby aby mogły być dopuszczone do obrotu.

Producent lub dystrybutor kolektorów słonecznych powinien posiadać odpowiedni dokument poświadczający wykonanie danego urządzenia zgodnie z odpowiednią normą. Dokument może wystawić samodzielnie – wówczas nazywa się on deklaracją zgodności lub zlecić wystawienie niezależnej, uprawnionej jednostce – otrzymuje wówczas certyfikat zgodności.

Certyfikat wystawiany jest (łącznie) na podstawie:
• sprawozdania z badań wyrobu, wykonanym przez akredytowane laboratorium badawcze;
• oceny przedłożonej dokumentacji wyrobu, wymagań technicznych itd.;
• przeprowadzonej kontroli (audytu) u producenta, celem sprawdzenia powtarzalności produkcji danego typu wyrobu;
• prowadzonego nadzoru nad stosowaniem certyfikatu.

Certyfikat SolarKeymark jest dobrowolnym certyfikatem zgodności na wykonanie kolektorów z odpowiednimi normami (podobnie jak certyfikat krajowy) o międzynarodowym charakterze monitorowanym przez ESTIF i CEN. Różnice polegają na sposobie poboru próbki do badań oraz częstotliwości i zakresie audytu danego podmiotu.

Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna ISO – opracowuje normy, które mogą być stosowane dobrowolnie. Najbardziej znanymi grupami norm z zakresu zarządzania jakością, środowiskiem i bezpieczeństwem, a znanymi również w Polsce są:
• ISO 9000 – system zarządzania jakością;
• ISO 14000 – system zarządzania środowiskiem;
• ISO18000 – system zarządzania bezpieczeństwem.
Posiadanie niniejszych certyfikatów stanowi wyznacznik prestiżu przedsiębiorstwa i gwarantuje spełnienie stosownych norm.

Poza powyższymi spotyka/spotykało się certyfikaty krajowe na znak bezpieczeństwa, jakości. Znak bezpieczeństwa B – krajowy znak potwierdzający, że wyrób jest bezpieczny. Znak obowiązujący do momentu wejścia w struktury UE. Obecnie zmieniła się idea znaku – znak dobrowolny.
Znak jakości Q potwierdza wysoką jakość wyrobów – obecnie wycofany.

Normy badawcze – a kolektory słoneczne…
W tematyce związanej z badaniami kolektorów słonecznych istnieją 3 grupy norm:
• PN-EN 12975-1/2: 2007 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Kolektory słoneczne – Część 1: Wymagania ogólne/Część 2: Badania.
• PN-EN 12976-1/2:2006:1/2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Urządzenia wykonane fabrycznie – Część 1: Wymagania ogólne/Część 2: Badania.
• PN-EN 12977-1/2:2007:1/2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Urządzenia wykonywane na zamówienie – Część 1: Wymagania ogólne/ Część 2: Badania.

W praktyce w badaniach kolektorów wykorzystuje się normę PN-EN 12975-2: 2007. Niniejsze badania można wykonywać z wykorzystaniem naturalnego lub sztucznego promieniowania. Zakres badań obejmuje badania cieplne i mechaniczne.
Badania cieplne obejmują określenie:
– charakterystyki cieplnej;
– stałej czasowej;
– modyfikatora kąta padania promieni słonecznych;
– pojemności cieplnej.
Badania wytrzymałościowe obejmują (m.in.):
– badanie odporności na wysoką temperaturę;
– badanie ekspozycyjności;
– badanie szoku termicznego zewnętrznego;
– badanie szoku termicznego wewnętrznego;
– badanie na przeciekanie deszczem;
– badanie odporności na zamarzanie;
– badanie wytrzymałościowe;
– badanie odporności na uderzenie.

W naszym kraju najczęściej badania ogranicza się do badań cieplnych, choć jednocześnie spora część kolektorów nie ma wykonanych tych badań, a jedynie nieliczne posiadają wykonane badania wytrzymałościowe.

Kolektory słoneczne badać można w kilkunastu akredytowanych laboratoriach w Europie. Badania wykonywane w laboratoriach podlegają International Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC-MRA) Mutual Recognition Arrangement. Laboratoria działają w sieci Europejskiej mającej na celu potwierdzenia jakości badanych kolektorów dzięki wykonywanym badaniom międzylaboratoryjnym.

Badania cieplne
Najistotniejszym badaniem jest badanie charakterystyki cieplnej kolektora. Najbardziej rozpoznawalnym elementem takich badań jest krzywa obrazująca zachowanie się cieplne kolektora w warunkach zmiennej temperatury czynnika roboczego – krzywa charakterystyki cieplnej. Badanie to przeprowadzać można w warunkach naturalnych jak też sztucznych.

Przykłady wykresów charakterystyki cieplnej umieszczono na rysunku poniżej.


Na osi pionowej znajduje się sprawność, na osi poziomej temperatura zredukowana kolektora czyli różnicy średniej temperatury w kolektorze i temperatury otoczenia (można uwzględniając natężenie promieniowania słonecznego).

Jedną z wielkości charakteryzujących kolektor jest sprawność teoretyczna kolektora słonecznego tzw. współczynnik konwersji η_opt lub η_o mieści się, w zależności od wykonania kolektora, w zakresie od 55% do 85%.
Należy w tym miejscu powiedzieć, iż sprawność odniesiona jest do powierzchni. W przypadku kolektorów słonecznych można mówić o sprawności całkowitej (brutto), powierzchni absorbera i apertury. Sprzedawcy dosyć płynnie operują tymi powierzchniami chcąc zachwycić parametrami swego produktu, niejednokrotnie wprowadzając potencjalnego klienta w błąd.
Powierzchnia brutto – oznacza powierzchnię po zewnętrznym obrysie urządzenia. Informuje ona jedynie o tym ile miejsca zajmuje urządzenie np. montowane na dachu. Z punktu widzenia uzysku energetycznego zdecydowanie istotniejsze są powierzchnia absorbera i powierzchnia apertury.
Powierzchnia absorbera dotyczy powierzchni pochłaniającej, która zamienia promieniowanie słoneczne na ciepło. Powierzchnia apertury dotyczy „okna” przez które wpada promieniowanie do kolektora i niejednokrotnie nie pokrywa się z powierzchnią absorbera. Często jest ona najmniejsza i ona winna być uwzględniana przy określaniu charakterystyki cieplnej.

Panujące warunki rzeczywiste (przyrost temperatury na kolektorze w stosunku do temperatury otoczenia) powodują obniżenie rzeczywistej sprawności, tym bardziej im większa jest ta różnica temperatur (większe straty ciepła). Przebieg krzywej (kształt i szybkość jej opadania) mówi o cechach użytkowych kolektora. Kolektory słoneczne pracują najczęściej w przedziałach zaznaczonych na rysunku. Najniższe przyrosty temperatur wykorzystywane są do ogrzewania basenów. Do takich zastosowań najlepsze są absorbery czyli kolektory bez osłony nad absorberem. Kolejny, najpopularniejszy zakres to podgrzanie wody dla celów użytkowych. W tych zastosowaniach najlepiej sprawują się kolektory płaskie. Skuteczne dogrzewanie budynków wymaga wyższych temperatur i wtedy zalecane są kolektory próżniowe.

Poza całkowitą sprawnością η_o kolektor scharakteryzowany jest przez współczynniki strat ciepła a₁ i a₂, które dla efektywnych energetycznie kolektorów przybierają niskie wartości.
Wykres przedstawiony na rys. 2 jest podstawą do szacowania wydajności cieplnej badanego kolektora. Cechą dobrego kolektora jest stosunkowo wysoka sprawność η_o – cecha kolektora płaskiego oraz wolno opadająca krzywa sprawności, która jest cechą kolektora próżniowego.

Poza badaniem charakterystyki cieplnej wykonuje się również badania: pojemności cieplnej, stałej czasowej oraz modyfikatora kąta padania.
Rzeczywistą pojemność cieplną określa stosunek ilości ciepła dostarczanego do układu do odpowiadającego mu przyrostowi temperatury.
Pojemność cieplna kolektora jest to suma pojemności cieplnej poszczególnych elementów urządzenia.
Określenie stałej czasowej pozwala na uzyskanie informacji jak szybko kolektor reaguje na zmieniające się warunki nasłonecznienia i odbioru ciepła w zbiorniku akumulacyjnym. Szczególnie ważny parametr w momencie rozruchu kolektora np. po nocy. Relatywnie wysoką wartość stałej czasowej mają kolektory z rurką ciepła.

Ostatnim parametrem badanym w ramach wydajności cieplnej jest modyfikator kąta padania, który określa sposób pracy kolektora w przypadku padania promieni słonecznych pod różnymi kątami, innymi niż kąt prosty w stosunku do płaszczyzny kolektora.

Badania wytrzymałościowe
Kolektory słoneczne muszą być odporne na wszystkie oddziaływania jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji, nie zmieniając ich właściwości użytkowych. Dotyczy to całego kolektora jak i jego elementów. M.in. obudowa musi być wodoszczelna, a jednocześnie wentylowana; absorber musi być odporny na czynniki cieplne i mechaniczne; osłona przeźroczysta kolektora winna być odporna na zmienność warunków pracy, promieniowanie UV, zanieczyszczenia powietrza; izolacja odporna na okresowe miejscowe przegrzania.

Badanie odporności na ciśnienie wewnętrzne absorbera wykonuje się celem ustalenia wytrzymałości kolektora na ciśnienie panujące w instalacji mogące wystąpić podczas pracy instalacji, szczególnie w przypadku podwyższenia temperatury czynnika roboczego ponad przewidzianą technologicznie. Instalacje słoneczne pracują przy określonym ciśnieniu, które w warunkach stagnacji może znacznie wzrosnąć. Badanie przeprowadza się przy ciśnieniu 1,5-krotnie wyższym od ciśnienia roboczego deklarowanego przez producenta.

Badanie odporności na wysoką temperaturę. Kolektor słoneczny pracować może przy wysokim natężeniu promieniowania słonecznego. Przy jednoczesnym braku odbioru ciepła, kolektor poddawany jest wysokiemu obciążeniu cieplnemu, podczas którego mogą wystąpić uszkodzenia obudowy kolektora na skutek wysokich naprężeń termicznych – degradacja, deformacja.

Badanie ekspozycyjności symuluje warunki naturalnego oddziaływania warunków pogodowych na kolektor słoneczny.

Badanie zewnętrznego szoku cieplnego ma na celu sprawdzenie zachowania się kolektorów w przypadku wystąpienia gwałtownej ulewy w gorące, parne dni w trakcie pracy kolektora przy wysokich temperaturach roboczych.

Badanie wewnętrznego szoku cieplnego ma na celu sprawdzenie zachowania się kolektora w przypadku gwałtownego dopływu zimnego płynu do nagrzanego kolektora. Sytuacja taka może nastąpić gdy kolektor przywracany jest do ruchu po okresie przestoju przy oddziaływaniu promieniowania słonecznego.

Badanie na przeciekanie ma na celu sprawdzić odporność (szczelność) obudowy kolektora na padający deszcz czy też roztapiający się śnieg. Szczególnie newralgicznym punktem mogą być nieprawidłowo wykonane otwory wentylacyjne (odprowadzenie wykroplonej wilgoci ze szczeliny powietrznej pomiędzy osłoną szklaną a absorberem).

Badanie odporności na zamarzanie ma na celu określenie trwałości kolektora na cyklach zamarzania i odmrażania. Drastyczne badanie z wodą w obiegu roboczym przy temperaturze -20^oC. Wykonywane rzadko, tylko w przypadkach gdy producent nie podaje informacji, że układ z kolektorami
przeznaczony jest do pracy z niezamarzającym czynnikiem roboczym.

Badanie dodatniego nacisku na osłonę kolektora ma na celu sprawdzenie wytrzymałości obudowy i osłony kolektora na nacisk na jego powierzchnię, który imitować ma nacisk powodowany przez śnieg i wiatr.

Badanie ujemnego nacisku kolektora ma na celu sprawdzenie odporności kolektora na siły unoszące (wywołane przez wiatr) – „odessanie szyby” od obudowy kolektora.

Badanie odporności na uderzenie ma na celu określenia wytrzymałości kolektora na uderzenie spowodowane w warunkach naturalnych gradem.

Technologie kolektorów słonecznych
Kolektory słoneczne, pomimo pozornie prostej budowie i zasadzie działania, ewaluują technologicznie, są zmieniane i unowocześniane. Wprowadzane są modernizacje, z pozoru drobne zmiany, których celem jest polepszenie efektywności (uzysku energii w stosunku do ceny). To co było dobre na początku XXI wieku w Polsce – stawało się już przeżytkiem w Europie, a obecnie zaczyna się i odchodzić od tych rozwiązań również w Polsce (np. powłoki chromowe).


Technologie stosowane w konstrukcjach kolektorów słonecznych stają się coraz bardziej zaawansowane poprzez ciągłe wprowadzanie ostrych standardów efektywności energetycznej, jakości wykonania, jak też stosowanych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych.


Stosuje się różnego rodzaju zabiegi mające na celu pozyskanie jak największej ilości energii słonecznej przez absorber i przekazanie jak największej ilości energii cieplnej przepływającemu przez absorber medium roboczemu. Uzyskuje się to poprzez stosowanie coraz lepszych powłok przeźroczystych, absorberów, lepszemu łączeniu absorbera z wężownicą czynnika roboczego oraz lepszej jakości materiałów termoizolacyjnych.


W przypadku kolektorów słonecznych próżniowych stawiane są coraz większe wymagania związane z jakością wykonania, a w szczególności trwałością (stabilnością) parametrów termodynamicznych w całym cyklu eksploatacyjnym urządzenia. Powoli polaryzuje się linia podziału kolektorów z podwójnym szkleniem i pojedynczym; rurek ciepła i kolektorów z przepływem bezpośrednim. W wyścigu konstrukcji zaczyna dostrzegać się, iż niekiedy jeden typ kolektora próżniowego znacznie odbiega jakością i efektywnością od innego próżniowego. Co więcej – niekiedy kolektor próżniowy nie dorównuje średniej klasy kolektorowi płaskiemu.


W rozwiązaniach konstrukcyjnych kolektorów próżniowych dąży się do likwidacji słabych punktów występujących w poszczególnych konstrukcjach, przy jednoczesnym nie „przedobrzaniu” ich zalet. Istotne
zagadnienia dotyczą: efektywnego przekazywania ciepła od płaszczyzny absorbera do rurki czynnika roboczego transportującego energię cieplną do zbiornika akumulacyjnego (szczególnie widoczny dla rurek Dewara). Istotnym problemem jest możliwość rozszczelnienia rur (dla rur jednościennych) oraz obniżenia efektywnego przekazywania ciepła od wymiennika (skraplacza) do czynnika roboczego jakim jest wodny roztwór glikolu (dla kolektorów z rurkami typu heat – pipe).

W kolektorach słonecznych istotna jest trwałość i użytkowa funkcjonalność w co najmniej 20. letnim okresie eksploatacji. Niedopuszczalne jest, aby wydajność kolektora słonecznego (tak płaskiego czy też próżniowego) zmniejszała się w okresie eksploatacji wskutek zużycia czy też utraty własności fizycznych elementu kolektora np. absorbera w kolektorach płaskich czy zanikiem próżni w kolektorach próżniowych.

Dylemat – kolektory płaskie czy próżniowe?
W Polsce zdecydowany, agresywny marketing kolektorów próżniowych zbudował przekonanie, iż kolektory próżniowe są zdecydowanie lepsze z racji „lepszej technologii”, wyższej ceny itd. Rzeczywistość jest jednak zgoła odmienna.
Przewaga kolektorów próżniowych polega na mniejszym wzroście strat ciepła wraz ze wzrostem różnicy temperatur kolektora i otoczenia. Ten fakt powoduje, iż w określonych warunkach kolektor próżniowy może uzyskać więcej energii niż kolektor płaski.
Kolektory płaskie jak i próżniowe nadają się do pracy w okresach przejściowych i zimowych w procesie przygotowania c.w.u. jak i wspomagania układu c.o.
Płaskie kolektory słoneczne posiadają stosunkowo prostą konstrukcję. Kolektor tworzy prostopadłościenną skrzynkę, przeźroczystą od strony frontowej, zaizolowaną od spodu i po bokach, w którym najważniejszym elementem jest metalowy absorber z przymocowaną od spodu rurą czynnika roboczego. Pomimo prostej budowy i zasady działania, również wśród kolektorów płaskich można spotkać kolektory dobre i co najwyżej przeciętne. Różnice w zastosowanych materiałach, technologiach i jakości wykonania przyczyniają się do tych różnic.


Obudowa kolektora powinna charakteryzować się sztywnością, trwałością na warunki atmosferyczne, estetyką i jednocześnie niewielką wagą. Wykonana jest ona z aluminium, blachy ocynkowanej, tworzywa sztucznego.
Powłoką przeźroczystą jest jedno- lub dwuwarstwowa osłona ze szkła o jak najniższej zawartości związków żelaza, które w istotny sposób zmniejszają współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego. Osłona jest gładka, przeźroczysta lub pryzmatyczna, ryflowana od spodu.
Powłoka ryflowana mająca pierwotnie na celu zapobieganie odbiciu promieniowania słonecznego (zwiększenie pozyskiwania energii), tak naprawdę, przeważnie ukrywa wszelkie niedoróbki w powłoce absorbera np. przebarwienia powłoki absorbera, wady mechaniczne powłoki absorpcyjnej jak też wady powstałe w wyniku połączenia absorbera z wężownicą czynnika roboczego. Oprócz wymienionych szyb stosowane są również droższe, o lepszych własnościach termodynamicznych szyby niskoemisyjne zmniejszające straty ciepła do otoczenia. Dla szyby kolektora istotna jest jej klasa, która dla szyb zwykłych określana jest jako U4 a najlepsza U1 charakteryzująca się wysokim współczynnikiem efektywności energetyczne (zawiera m.in. współczynnik przepuszczalności).

Powierzchnia absorbera bezwzględnie musi charakteryzować się wysokim wskaźnikiem selektywności (Sunselect, Tinox, Eta plus.). Nie zaleca się, ze względów ekologicznych, dla nowych instalacji stosowania powłok chromowych. Wysoki współczynnik selektywności zapewnia maksymalny współczynnik absorpcji przy ograniczonej do minimum emisji. Absorber może być wykonany w formie jednolitej płyty, lub zmontowanej z kilkucentymetrowych pasków tzw. stripów. Pod płytą absorbera umiejscowione jest orurowanie czynnika roboczego kolektora. Połączenie rury z absorberem jest bardzo ważne i ma istotny wpływ na sprawność przejmowania ciepła z absorbera do wężownicy transportującej energię cieplną poprzez czynnik roboczy do akumulatora ciepła. Prawie zawsze stosuje się lutowanie twarde, gdyż miękkie nie daje gwarancji trwałego połączenia ze względu na występowanie wysokich temperatur, szczególnie w wysoko efektywnych absorberach, w okresach przestoju pracy kolektora przy wysokich mocach promieniowania słonecznego. Nowocześniejsze połączenia to stosowanie ultradźwięków lub łączenia laserowe. Te dwa ostatnie są najskuteczniejsze jednak najbardziej ingerują w strukturę materiału absorbera.

Rury absorbera mogą być ułożone w kształcie harfy lub meandra. Częściej spotyka się harfę, choć ostatnio obserwuje się renesans wykorzystania meandra (serpentyny). Z punktu widzenia teoretycznego rozwiązanie to pozwala na bardziej równomierne wykorzystanie absorbera, jednak należy pamiętać o znacznie wyższych oporach przepływu czynnika wynikającego ze znacznej długości pojedynczej rury. Sposobem na zwiększenie efektywności pozyskiwania energii słonecznej (wydłużony czas przebywania medium w kolektorze i większe upakowanie kanałów roboczych) można stosować układ meandra lub harfy podwójnej.


Kolektory słoneczne próżniowe są to kolektory, które konstrukcyjnie wyposażone są w izolację termiczną, którą stanowi wysokie podciśnienie bliskie próżni w zamkniętej przestrzeni termoizolacyjnej.

Najczęściej spotykane kolektory typu próżniowego to kolektory rurowe. W szklanych rurach, w których umieszczone są rury czynnika roboczego występuje próżnia, dzięki której minimalizowane są konwekcyjne straty ciepła z rurki do otoczenia. Ogólna budowa to zestaw rur połączonych na dole poziomą rurą rozprowadzającą i na górze (registrem) zbiorczą, odprowadzającą gorący czynnik roboczy do odbiornika lub akumulatora ciepła. Ilość rur w tego typu kolektorze może być dowolna i uzależniona jest tylko od warunków konstrukcyjnych. Poszczególne zestawy rur, kolektory słoneczne, montowane są na ramach lub wmontowywane w konstrukcję dachu.

Kolektory typu rurowego posiadają różne rozwiązania konstrukcyjne pod względem rodzaju stosowanych rur (tzw. rury Dewara – termosowe, pojedyncza rura), sposobem przepływu czynnika (przepływ bezpośredni – U-rurka, pośredni – rurka ciepła tzw. heat pipe), średnicy (grubości) stosowanych rur.

Kolektor rurowy z przepływem pośrednim – tzw. gorąca rurka składa się z rur miedzianych umieszczonych osiowo w środku szklanej rury próżniowej. Wewnątrz niej znajduje się czynnik o bardzo niskiej temperaturze wrzenia. W każdej rurze znajdują się wymienniki w postaci parownika i skraplacza. Niskowrząca ciecz spływa po ściance w dół kolektora ogrzewając się od ścianki absorbera. Zaczyna parować i unosi się ku górze, aż do górnej części rurki. Tam znajduje się skraplacz, gdzie ciepło skraplania oddawane jest cieczy w obiegu kolektora.

Natomiast w kolektorze z przepływem bezpośrednim tzw. U-rurce, ciecz robocza przepływa przez rurkę wyprofilowaną w kształcie litery U, którą umieszcza się osiowo we wnętrzu rury szklanej. Kolektory tego typu zasadą działania nieco przypominają kolektory płaskie, lecz ze względu na termoizolację próżniową posiadają mniejsze straty konwekcyjne i pracują z wyższą sprawnością.

Informacje i uwagi, których nie znajdzie się w materiałach informacyjnych producentów/dystrybutorów kolektorów słonecznych:
• kolektory płaskie podczas słonecznej pogody mogą szybciej ogrzewać wodę w porównaniu z kolektorami próżniowymi;
• odpowiednio dobrane kolektory płaskie, chociaż tańsze, mogą dostarczyć więcej użytkowej energii cieplnej niż kolektory próżniowe;
• wysoka temperatura elementów absorpcyjnych kolektora próżniowego w słoneczny dzień wcale nie świadczy o wysokiej efektywności urządzenia. Osiągana temperatura jest wynikiem niskich strat konwekcyjnych i zmniejszonym odbiorem energii cieplnej. Realny poziom pozyskiwania energii deklarowany przez sprzedawcę niejednokrotnie nie ma odzwierciedlenia w praktyce;
• kolektory próżniowe posiadają mniejszą odporność na obciążenia mechaniczne ze względu na stosowanie tańszego szkła nie hartowanego;
• wysokość poniesionych nakładów finansowych należy odnosić do powierzchni roboczej kolektora – apertury;
• jednostkowa cena 1 m2 kolektora próżniowego bywa nawet 2-krotnie wyższa niż płaskiego, co przy wydajności większej średnio o 30% może budzić wątpliwość ekonomiczną jego stosowania.

Na co zwracać uwagę przy kupnie kolektora?
Zakup kolektora powinien być poprzedzony analizą rynku pod względem dostępnych rozwiązań i dystrybutorów urządzeń. Sprawą podstawową jest określenie wiarygodności dystrybutora oraz jakości oferowanych kolektorów. Najlepszą metodą sprawdzenia wiarygodności są referencje, jakimi może pochwalić się dany instalator. Jakość produktu można między innymi określić wizualnie. Kolektor winien mieć estetyczny wygląd, a absorber charakteryzować się jednorodnością powierzchni.

Warto dowiedzieć się, sprawdzić czy kolektor dostosowany jest do polskich warunków klimatycznych (duże wahania temperatur, grad, ograniczona ilość promieniowania słonecznego w miesiącach zimowych).
Kolektory z krajów południowych (np. Turcja), nie są dostosowane do temperatur panujących w Polsce (ograniczona izolacja), również powłoki pochłaniające muszą spełniać wyższe wymagania, zmienne warunki pogodowe wymuszają stosowanie lepszych materiałów i większej staranności wykonania, a w szczególności:
• zabezpieczenie kolektora od warunków zewnętrznych – powłoka przeźroczysta, obudowa - zabezpieczenie przed wilgocią;
• wytrzymałość mechaniczna na uderzenie w przegrodę przeźroczystą (np. grad);
• rodzaj absorbera – wysokiej jakości, trwały – selektywny. W takim przypadku można spodziewać się wyższych uzysków;
• praca w okresie zimowym w przypadku opadu śniegu, kolektory próżniowe nie mają możliwości stopienia zalegającego śniegu w przeciwieństwie do kolektorów płaskich.

Najważniejszym parametrem praktycznym charakteryzującym kolektor słoneczny jest wydajność energetyczna (cieplna) w odniesieniu do powierzchni czynnej. Należy pamiętać, aby była ona odniesiona do warunków panujących w Polsce i była ona wiarygodną. Kolektor w sposób bardziej dokładny scharakteryzowany może być przez ilość energii uzyskiwanej z 1 m² kolektora w różnych porach roku (przy różnym nasłonecznieniu oraz w różnych temperaturach otoczenia). Bardziej przemawiającym parametrem może być ilość wytwarzanej wody w poszczególnych okresach. Takie sposoby przedstawiania wydajności kolektora nie są powszechnie przyjęte.
Potwierdzona jakość kolektora / instalacji dzięki wykonanym badaniom na zgodność z normą (patrz EiB 7/2010).

Z punktu widzenia inwestora istotna jest długość gwarancji oraz czas eksploatacji bez zmniejszenia wydajności. Nie mniej ważny jest rzeczywisty okres niezawodnej pracy urządzenia. Łatwość montażu odgrywa dosyć istotną rolę szczególnie dla firmy instalacyjnej. Zachwala się kolektory próżniowe z rurką ciepła, z powodu montażu poszczególnych rur na dachu – uważając to za wygodniejsze rozwiązanie.
Jako zaletę traktuje się takie rozwiązanie przy wymianie uszkodzonego elementu. Pytanie tylko brzmi: czy jest zgodna aby kolektory słoneczne ulegały awarii?

Jak sprzedawca zachwala urządzenie?
Rynek kolektorów słonecznych wyraźnie ożył. W ciągu kilku ostatnich lat powierzchnia montowanych kolektorów podwaja się, kolektory stają się popularnym, niemal standardowym urządzeniem wspomagającym bilans energetyczny budynków. Wprowadzenie korzystnych instrumentów finansowych doprowadziło do ponadprzeciętnego zainteresowania tymi urządzeniami. Powstała cała rzesza firm, która żądna zysku wprowadza kolektory, które są tymi urządzeniami niejednokrotnie tylko z nazwy. Kupują z Azji kolektory (głównie chińskie), które nie sprawdzają się często, powiem więcej nie mogą się sprawdzić w naszych warunkach klimatycznych i eksploatacyjnych. Bardzo korzystny stosunek ceny produktu u producenta z Dalekiego Wschodu w stosunku do cen w Polsce przyczynia się do zalewania tandetnym produktem rynku.

Celem zwiększenia oddziaływania na klienta, tworzą pod potrzeby marketingu nieprawdopodobne dane dotyczące osiągów urządzenia, podpierając się jednocześnie, o zgrozo, wynikami z akredytowanych
laboratoriów...
W tym miejscu wraz z komentarzem przedstawię przykładowe kłamstwa, z jakimi można się spotkać przy zakupie kolektorów słonecznych. Posługiwanie się mocą kolektora jako wyznacznika użyteczności cieplnej urządzenia. Parametr mocy nie jest najistotniejszym parametrem kolektora (wartość bardzo zmienna – teoretyczna). Istotna jedynie przy orientacyjnym doborze oraz określaniu wielkości urządzeń zabezpieczających. O wiele istotniejszym jest ilość uzyskiwanej energii uzależniona od warunków pogodowo - cieplnych.
Ponadprzeciętny uzysk energii słonecznej z kolektora, nawet do 890 kWh/m²a. Jest to oczywisty nonsens. Kolektory słoneczne pracują w instalacji czynnika grzewczego, która oprócz kolektora generuje straty energii. Najlepsze urządzenia słoneczne dostępne w naszym kraju są w stanie dostarczyć maksymalnie do około 600 kWh/m²a energii w ciągu roku a to jest możliwe tylko dla najlepszej konfiguracji urządzeń w specyficznych, bardzo korzystnych warunkach pracy. Dobre kolektory płaskie bardzo rzadko osiągają 500 kWh/m²a, a „typowa chińszczyzna” dostarcza w granicach 350÷400 kWh/m²a. Podawane przez zagraniczną instytucję badającą kolektory słoneczne wartości pozyskiwanej energii 525 kWh/m²a dotyczą wartości granicznej, teoretycznej – dla parametrów pracy daleko odbiegających od klimatycznych warunków krajowych.

Innym spotykanym rozwiązaniem pseudo marketingowym naciągania parametrów kolektorów jest umieszczanie informacji o sprawności kolektora w postaci współczynników absorpcji i emisji (powłoki absorpcyjnej). Wielkości oscylujące wokół 95÷5% wzbudzają zachwyt i zaufanie, a tak naprawdę nie mówią nic o jakości termodynamicznej kolektora. Wszystkie dostępne kolektory płaskie, z powłokami selektywnymi, osiągają parametry w tym zakresie. Jednak te wartości dotyczy jedynie absorpcji i emisji powłoki, nie uwzględniając osłony szklanej, warstwy powietrza, sposobu łączenia absorbera z orurowaniem i rodzaju orurowania, nie uwzględnia też ilości i rodzaju stosowanej termoizolacji. Informacja ta bardzo często wprowadza potencjalnego klienta w błąd.

Sprawność kolektora sprowadzana jest do sprawności optycznej – co jest ewidentnym nieporozumieniem. Nie mówi ona nic o sprawności urządzenia w rzeczywistych parametrach pracy jak temperatura czynnika roboczego i w zbiorniku akumulacyjnym, chwilowe natężenie promieniowania słonecznego czy temperatura powietrza zewnętrznego.

Podkreślanie znaczenia powierzchni całkowitej jako tej, od której zależy wielkość pozyskiwanej energii cieplnej. Tak naprawdę wielkość tej powierzchni nie ma bezpośredniej korelacji z uzyskiem energii, szczególnie jeśli ma się na myśli kolektory próżniowe z powłoką napylaną zapasek płytki absorpcyjnej.
Poniżej przedstawiono powierzchnie typowego kolektora próżniowego z „rurką ciepła”:
– powierzchnia całkowita: 3,5 m²;
– powierzchnia apertury: 2,2 m²;
– powierzchnia absorbera: 1,9 m².
Z powyższego porównania widać, iż powierzchnia całkowita może mieć jedynie wpływ na wielkość powierzchni zajętej przez kolektor. W kolektorze pracuje absorber i to jego powierzchnia jest istotna.
Przekonanie, iż kolektory próżniowe zajmują mniej miejsca niż płaskie dla uzyskania tego samego efektu energetycznego jest błędne, co wyjaśnia powyższe porównanie.

Izolacja próżniowa zwiększa ilość pozyskiwanej energii przez kolektor. Nie jest to prawdą. Izolacja próżniowa chroni przed konwekcyjnymi stratami ciepła oraz ogranicza ilość promieniowania słonecznego przedostającego się do kolektora.
Kolektory próżniowe pozyskują w każdych warunkach większa ilość energii niż płaskie. Faktem bezsprzecznym jest to, iż kolektory płaskie pracują efektywniej dla niewielkich przyrostów temperatur co dla większości zastosowań niskotemperaturowych jest wystarczające (ogrzewanie basenów, podgrzewanie c.w.u.). Uwzględniając porę roku w okresie letnim kolektory płaskie zwykle mają większą wydajność w porównaniu z próżniowymi, co w miesiącach przejściowych równoważy się, zaś w zimowych większą efektywnością charakteryzują się kolektory próżniowe ze względu na wyższą sprawność przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego.

Kolektory próżniowe szybciej ogrzeją zasobnik c.w.u. Nie jest to do końca prawdą. Uzależnione to jest od szybkości uruchomienia instalacji słonecznej oraz od wydajności cieplnej kolektora. Najdłużej uruchamiają się kolektory próżniowe z rurką ciepła. W kolektorach tych następuje odparowanie czynnika roboczego, a ono dopiero gwarantuje uruchomienie instalacji. Z tego powodu istotna jest tzw. temperatura rozruchu (temperatura parowania płynu w rurce ciepła).

Kolektory próżniowe są w stanie same stopić śnieg pod wpływem padającego promieniowania słonecznego i podgrzewania od spodu przez kolektor śniegu. Kolektory próżniowe nie są w stanie stopić zalegającego śniegu. Jedyna możliwość to zsunięcie się śniegu do przestrzeni pod kolektorem jeśli jest ona wystarczająco duża.

Kolektory próżniowe pracują nawet w pochmurne dni. Kolektory słoneczne potrafią w ograniczonym stopniu przetworzyć promieniowanie słoneczne rozproszone w ciepło. Kolektory próżniowe nie zamieniają efektywniej promieniowania rozproszonego w energię cieplną.

Kolektory słoneczne rurowe z rurką ciepła, z pośrednim transportem energii cieplnej i przemianą fazową w dwururowym skraplaczu gwarantują wysokie sprawności i efektywność pozyskiwania energii cieplnej ze słońca.

W standardowych zastosowaniach doskonale sprawdzają się urządzenia z przepływem bezpośrednim czynnika grzewczego (roboczego). Kolektory z przepływem pośrednim (heat pipe) dobrze się sprawdzają w zastosowaniach z wymaganą, wyższą temperaturą np. w przemyśle. Pomimo, iż wymiana dwufazowa jest wydajniejsza z punku widzenia energetycznego to opóźniony start instalacji i bardzo utrudniona droga energii promieniowania słonecznego do odbiornika ciepła powoduje, iż to rozwiązanie w całkowitym bilansie energetycznym jest mniej efektywne.

Traktowanie wielowarstwowych powłok absorpcyjnych napylanych na rurę szklaną jako najbardziej wydajnych. Warstwa absorpcyjna umieszczona na metalu charakteryzuje się większą sprawnością niż na szkle. Współczynniki absorpcji i emisji mają korzystniejszą wartość (dla absorbera metalowego 0,95 i 0,05 a dla szklanego 0,92 i 0,08).

Podsumowanie
Kolektory słoneczne stają się na naszych oczach standardowym (popularnym) urządzeniem grzewczym. Przyczynia się to do mnogość ofert tych urządzeń i większej gamy cenowej oraz konstrukcyjnej związanej z ich jakością. W wyborze kolektora może pomóc dokument w postaci certyfikatu potwierdzającego zgodność wykonania kolektora ze stosowną normą a tym samym gwarantującym odpowiednią jakość urządzenia. Należy jednak pamiętać, iż samo spełnienie danej normy (poprzez przejście przez kolektor stosownych badań) jeszcze nie gwarantuje odpowiedniej jakości urządzenia.
Istotna jest interpretacja otrzymanych wyników wraz z analizą dokumentacji technicznej.
Wraz z poszerzaniem się wiedzy o kolektorach słonecznych nabywcy coraz większą uwagę zwracają na szeroko pojmowaną jakość oferowanych urządzeń, która staje się drugim, po aspekcie ekonomicznym,
kryterium wyboru urządzenia.
Wydaje się, iż niezbędne jest stworzenie i usankcjonowanie stosownymi przepisami formalno-prawnymi określającymi kryteria i zasady oceny energetycznej dopuszczanych do oferty rynkowej urządzeń wykorzystujących energię promieniowania słonecznego. W takich kryteriach powinien być określony wskaźnik ekologicznej efektywności, który określałby stosunek energii włożonej w wyprodukowanie urządzenia (energii wbudowanej) do ilości energii pozyskanej z urządzenia w całym okresie jego użytkowania. Racjonalne określenie takich wskaźników nie tylko pozwoliłoby na wyeliminowanie z rynku urządzeń złej jakości ale
również postawiłaby klarowne ograniczenia określające w jakich rejonach klimatycznych stosowanie tych urządzeń jest absolutnie nie opłacalne.
Byłaby to również realna przeciwwaga i pewnego rodzaju ograniczenie dla napastliwego i bezwzględnego lobbing’u w zakresie stosowania kolektorów słonecznych.


Autor: dr inż. Krystian Kurowski – Niezależny ekspert z zakresu wykorzystania energii słonecznej

Źródło:
- PN-EN 12975-2, 2007 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Kolektory słoneczne – Część 2: Metody badań.

Źródło: Energia i Budynek