Kolektory powietrzne - wykorzystanie odnawialnych źródeł energii

Kolektory słoneczne dzieli się - w zależności od stosowanego czynnika roboczego - na cieczowe i powietrzne. Zdecydowanie częściej kolektory słoneczne kojarzy się z kolektorami cieczowymi płaskimi lub próżniowymi. Druga grupa kolektorów – powietrzne – jest zdecydowanie mniej stosowana.

Kolektory słoneczne – przetworniki energii promieniowania
słonecznego w ciepło. W zależności od stosowanego czynnika
roboczego dzielą się na cieczowe i powietrzne. Zdecydowanie
częściej kolektory słoneczne kojarzy się z kolektorami cieczowymi
płaskimi lub próżniowymi. Druga grupa kolektorów –
powietrzne – jest zdecydowanie mniej stosowana i tym kolektorom
chciałbym poświęcić ten artykuł.


Kolektory słoneczne powietrzne
posiadają najczęściej analogiczną
budowę w porównaniu do kolektorów
cieczowych. Składają się z: absorbera,
przykrycia przeźroczystego
(może nie występować w niektórych
rozwiązaniach), obudowy i
ewentualnie izolacji cieplnej.
Najważniejszym elementem kolektora
jest absorber. Absorber pochłania
padające promieniowanie
słoneczne i zamienia na energię
cieplną, którą następnie przekazuje
przepływającemu czynnikowi,
ogrzewając go. Absorbery wykonuje
się przeważnie z metalu. Spotykane
są również absorbery wykonane z
tworzyw, jak PP czy EPDM, albo
też połączeń tworzyw z innymi materiałami.
W celu powiększenia
kontaktu cieplnego absorbera z
przepływającym powietrzem stosuje
się różne rozwiązania konstrukcyjne
zwiększające powierzchnię
absorbera. Najprostsze absorbery
mają powierzchnię w postaci falowanej
lub trapezoidalnej. Kolektory
bardziej wydajne zbudowane są z
szeregu równoległych kanałów. W
ten sposób zwiększona powierzchnia
wpływa również na zwiększoną
turbulencję przepływającego powietrza,
która z kolei poprawia
współczynnik przenoszenia ciepła.
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie
wypełnienia przestrzeni między absorberem a obudową materiałem porowatym, tzw. kolektor z rozwiniętym absorberem. Materiałem
wypełniającym mogą być metalowe
wióry pomalowane na czarno – matowe.
Sprawność tak „rozwiniętego”
absorbera może być nawet dwukrotnie
większa niż kolektora płaskiego.
Absorber tego typu charakteryzuje
się znacznie większymi
oporami przepływu powietrza. Zupełnie
inną koncepcją działania
charakteryzuje się kolejna konstrukcja
absorbera – tzw. absorber
perforowany. Posiada on na swej powierzchni
dużą liczbą niewielkich
dziurek, przez które zasysane jest
powietrze. Takie rozwiązanie zapewnia
dobry kontakt powietrza z
absorberem oraz podnosi jego
sprawność.
Kolejnym elementem kolektora
jest obudowa, która pełni „funkcję
nośną”, oraz zapewnia szczelność
kolektora przed stratami ciepła i
dostępem wilgoci. Obudowy wykonuje
się z metalu, drewna, tworzyw
sztucznych. Najbardziej popularne
są obudowy wykonane z metalu,
choć pojawiają się też z plastiku.
Izolacja termiczna wykonana jest
najczęściej z wełny mineralnej bądź
szklanej, ale również styropianu.
W celu zmniejszenia strat energii
przez konwekcję ciepła z powierzchni
absorbera stosuje się
przykrycia przeźroczyste. Przykrycie
chroni absorber przed działaniem
deszczu, wiatru, kurzu, jak też
mechanicznych obciążeń. Do tego
celu nadaje się szkło i tworzywo
sztuczne.
Kolektory komercyjne dostępne
na rynku wykonane są z różnych
materiałów i charakteryzują się odmienną
zasadą działania. Przyrosty
temperatur powietrza, szczególnie
dla małych natężeń przepływu powietrza,
osiągają nawet powyżej
30°C (dla 25 m²/h), dla natężeń przepływu ok. 100 m3/h przyrosty
rzędu 15°C (na 1 m² kolektora).
Sprawność kolektorów słonecznych
dostępnych na rynku zmienia się w szerokim zakresie od ok. 25%
do 50% - dla małych natężeń przepływu,
aż do blisko 70% dla ok. 100
m3/m2h.
Konstrukcje
Wyróżnia się cztery (główne) rozwiązania
konstrukcyjne kolektorów
powietrznych:
- z przepływem powietrza pod absorberem
(1),
- z przepływem powietrza nad absorberem
(2),
- z przepływem powietrza nad i pod
absorberem (3),
- z przepływem powietrza przez
absorber (4).
Pierwsza z wymienionych jest to
prosta konstrukcja wykorzystywana
w suszarkach rolniczych. Występują
konstrukcje bez pokrycia, jak też z
pokryciem przeźroczystym.
Z kolei drugie rozwiązanie to jedna
z najprostszych konstrukcji kolektora
w postaci pokrycia dachowego
przykrytego szkłem. Pracuje
efektywniej niż kolektor opisany
powyżej.
W trzeciej konstrukcji dzięki omywaniu
absorbera przez powietrze z
dwóch stron, powierzchnia kontaktu
powietrza z absorberem zwiększa się
dwukrotnie, przez co wzrasta znacznie
sprawność kolektora.
W czwartym z wymienionych rozwiązań
kolektory powodują ograniczenie
strat ciepła przez przenikanie
i promieniowanie, a jednocześnie
system jest prostszy, a przez to
tańszy. Zwiększa się jednak wpływ
działania wiatru. Powietrze zasysane
jest przez dużą ilość (około 10
tys. na 1 m2 kolektora) małych
otworów. Cechą wspólną rozwiązań
oferowanych przez różnych producentów
jest przepływ przez perforowaną
powierzchnią, który jest rozwiązany
w różny sposób.


Jeszcze inny typ kolektora został
opracowany w latach osiemdziesiątych.
Jest to kolektor z rozwiniętym
absorberem (porowaty). Charakteryzuje
się on znacznie zwiększoną
powierzchnią, a tym samym sprawnością
wykorzystania energii promieniowania
słonecznego. Kolektor
tego typu charakteryzował się jednak
dużymi stratami ciśnienia. Duża masa kolektora powodowała też
opóźnioną reakcję, jak też większe
straty ciepła. Nie doczekał się on
szerszego zastosowania.

Instalacje
Instalacje kolektora słonecznego
powietrznego mogą posiadać prostszą budowę w porównaniu do instalacji
kolektora cieczowego. W przypadku
bezpośredniego wykorzystania
podgrzanego powietrza (w kolektorze)
nie wymaga się zastosowania
wymiennika ciepła, a powietrze
kierowane jest bezpośrednio
do wykorzystania.
Kolektory słoneczne powietrzne
mogą pracować w układach otwartych,
jak też częściej spotykanych –
zamkniętych. W układzie zamkniętym powietrze przetłaczane jest od
kolektora, do odbiornika gdzie ciepło
jest oddawane, a następnie doprowadzane
jest powtórnie do kolektora. W
układach tych temperatura powietrza
wchodzącego do kolektora może
być wyższa od temperatury otoczenia.
Układ otwarty wykorzystuje powietrze
zewnętrzne. W układzie
otwartym pracuje najczęściej kolektor
z absorberem perforowanym.
Sprawą problematyczną, w przypadku
kolektorów słonecznych powietrznych,
jest ewentualna konieczność
gromadzenia ciepła. Proste
rozwiązania, w postaci złoża kamiennego,
sprawiają spore problemy
wykonawcze (brak łatwo dostępnych wytycznych), jak i eksploatacyjne
(problemy z higieną powietrza
opuszczającego złoże
zwłaszcza po pewnych okresie eksploatacji),
zaś wysoce zaawansowane
zbiorniki ciepła wykorzystujące
przemianę fazową (wyposażone np.
w aerożele) są bardzo drogie. Z tych
to względów instalacje kolektorów
słonecznych powietrznych nie wyposaża się w magazyny ciepła.
Zastosowanie

Kolektory powietrzne stosowane
są głównie do suszenia płodów rolnych,
wspomagania ogrzewania w
budynkach wyposażonych w powietrzny
system grzewczy oraz wentylacji
wstępnie podgrzanym powietrzem.
Sporadycznie spotykane jest
równie˝ wykorzystanie kolektorów
powietrznych do ogrzewania c.w.u.
(stosując wymiennik ciepła: powietrze
– woda). W Polsce stosowane są
kolektory powietrzne w nieznacznym
stopniu, przy czym budowane
są przeważnie metodą gospodarską.
Zalety i wady
stosowania kolektorów
słonecznych
powietrznych
Zalety:
- możliwość wykorzystywania energii
w okresie największej jej dostępności,
- dostarczanie dużej ilości ciepła niskotemperaturowego,
- wydajność przy tym samym nakładzie
finansowym jest lepsza o 8% (od
zastosowania kolektorów cieczowych),
- instalacja z kolektorami powietrznymi
jest tańsza i prostsza pod
względem konstrukcji.
Wady:
- „niestabilność” źródła ciepła (konieczność
stosowania dogrzewania w
okresach niewystarczających warunków
nasłonecznienia),
- bardzo ograniczona możliwość
gromadzenia ciepła.

Podsumowanie
Kolektory słoneczne powietrzne,
których historia w naszym kraju jest
stosunkowo długa – pierwszy kolektor
połowa lat sześćdziesiątych - zaczynają
przeżywać renesans. Dawniej
stosowane: proste – wykonane
„po gospodarsku” do podsuszania
płodów rolnych (z przepływem pod
lub nad absorberem) zastępowane
są powoli nowoczesnymi produktami
komercyjnymi z przepływem
pod i nad absorberem albo przepływem
penetracyjnym. Impulsem do
powtórnego zainteresowania tymi
urządzeniami było pojawienie się w
ostatnich latach tych urządzeń na
rynku oraz nowym możliwym kierunkiem
zastosowania do podgrzewania
i wentylacji budynków.
Symptomy te oraz niższa cena i
mniej skomplikowana eksploatacja
każą żywić nadzieję na znacznie
większą popularność tych urządzeń
w najbliższym czasie.

Załącznik: Podstawowe parametry techniczne i eksploatacyjne typowych kolektorów powietrznych

Autor: dr inż. Krystian Kurowski

Źródło: MAGAZYN INSTALATORA - miesięcznik informacyjno - techniczny nr 4 (104), kwiecień 2007

Literatura:
Fechner H. 1999, Investigation on Series
Produced Solar Air Collectors – Final Report,
Arsenal Reserch.
Hinderburg C. 2002, Neuentwicklung
eines Solarluftkollektors in Modulbauweise,
ISE Freiburg.
Kurowski Krystian, Wykorzystanie kolektora
słonecznego powietrznego z absorberem
perforowanym dla suszenie wybranych
produktów rolniczych, Warszawa
2006.
Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk
M., Kurowski K., Kolektory słoneczne –
poradnik wykorzystania energii słonecznej,
COIB Warszawa 2006.