Kolektory słoneczne: często zadawane pytania

FAQ na temat wykorzystania kolektorów słonecznych.

Dlaczego kolektory od kilku lat zyskują na znaczeniu?
Od lat 70., notabene był to czas, gdy pojawiły się pierwsze kolektory powszechnego użytku, obserwujemy stałą tendencję wzrostu cen paliw tradycyjnych. Wynika to ze względów ekonomicznych (coraz mniejsze są zasoby tych paliw, a więc trudniejsze i kosztowniejsze staje się ich pozyskiwanie) oraz politycznych (skupienie decydujących zasobów paliw przez kilka krajów). Jednocześnie wykorzystanie paliw kopalnych ma negatywny wpływ na środowisko naturalne, a ich zasoby nie ulegają odnowieniu - szacuje się, że mogą zaspokajać nasze potrzeby jeszcze przez 50-150 lat.
Tymczasem instalacje solarne są czyste, proekologiczne i wykorzystują energię odnawialną - stanowią więc doskonałą alternatywę dla nieobojętnych ekologicznie paliw tradycyjnych. Potencjał energii słonecznej jest praktycznie niewyczerpalny (ok. 5 mld lat), a roczna wartość przewyższa globalne potrzeby ok. 15 tys. razy.
W polskich warunkach są to sytemy raczej towarzyszące tradycyjnym instalacjom grzewczym, ponieważ z uwagi na sporą, a co najważniejsze sekwencyjną, liczbę dni pochmurnych nie są w stanie samodzielnie zapewnić pełnego pokrycia zapotrzebowania ciepła w skali całego roku.



Jaki jest potencjał energii słonecznej w Polsce?
W Polsce, zależnie od regionu, wartość nasłonecznienia wynosi w okresie od kwietnia do października ok. 900-1100 kWh/m2 (patrz mapka), co przy właściwym doborze liczby i odpowiednim usytuowaniu kolektorów słonecznych zabezpiecza użytkowników w 80-90% energii niezbędnej do podgrzania ciepłej wody, a średnio w roku - do 65%. Oznacza to, że przez 240 dni w roku woda może być ogrzana energią słoneczną do temperatury ok. 50·C.
Według ekspertyzy Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej rzeczywisty potencjał techniczny odnawialnych źródeł energii występujących w Polsce wynosi około 2514 PJ/rok (1 PJ - 1 petadżul, peta - 1015). Stanowi to prawie 60% zapotrzebowania na energię pierwotną (1340 PJ/rok, czyli 53%, przypada na promieniowanie słoneczne).


Dlaczego w Polsce zainteresowanie techniką solarną wciąż jest nieduże?
Po pierwsze - Polacy okazują się tradycjonalistami - wciąż wolą konwencjonalne kotłownie, brakuje im zaufania do „niezależnego” źródła ciepła.
Po drugie, dopiero od sierpnia 2002 r. posiadamy polską normę PN-EN 12975 „Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy. Kolektory słoneczne - wymagania ogólne, metody badań”.
Po trzecie, niektórzy producenci podają czasem niejednolite informacje określające charakterystykę techniczną urządzeń, a wielkość instalacji obliczają według własnych opracowań, bazujących na symulacjach i doświadczeniu firmy.
Po czwarte - poważną barierę tworzy wysoka jak na polskie warunki cena i brak korzystnego kredytowania takiej inwestycji. Wiele państw europejskich stosuje liczne subwencje i dopłaty do instalacji proekologicznych. Niestety, w Polsce koszty uzyskania preferencyjnych kredytów są często tak wysokie, że inwestycja staje się nieopłacalna. Dla porównania - w Niemczech można uzyskać nie tylko korzystne warunki finansowania ze specjalnych programów kredytowych, ale również otrzymać 20-letnią gwarancję płatności za oddawanie prądu do sieci. Instalacja solarna (czy równie popularna - wiatrowa) może więc szybko zacząć na siebie zarabiać. Czy zmieni się to po naszym wejściu do Unii? Miejmy nadzieję, że tak.
Na razie pozostaje się cieszyć, że stopień wykorzystywania odnawialnych źródeł energii w bilansie paliwowo-energetycznym Polski systematycznie rośnie:

Jakie są rodzaje instalacji słonecznych?
Energię słoneczną można zamienić bezpośrednio na energię elektryczną (fotoogniwa) lub na energię cieplną
(kolektory słoneczne). W pierwszym przypadku - wytwarzany jest prąd stały o napięciu zależnym od wielkości
modułu fotowoltaicznego, czyli liczby pojedynczych ogniw połączonych równolegle lub szeregowo.
W przypadku kolektorów - ciepło dostarczane jest poprzez czynnik grzewczy i może wspomagać ogrzewanie ciepłej wody użytkowej, pracę kotłowni c.o. lub ogrzewać wodę basenową. W zależności od rodzaju czynnika roboczego, który transportuje ciepło, rozróżniamy kolektory cieczowe lub powietrzne. W instalacjach solarnych najpowszechniej stosowane są kolektory cieczowe, które dodatkowo (ze względu na kształt absorbera) można podzielić na: płaskie, rurowe i skupiające. W Polsce stosowane są przede wszystkim płaskie kolektory dachowe.

Co to są ogniwa fotowoltaiczne?
Działanie fotoogniwa (ogniwa fotowoltaicznego) opiera się na przeniesieniu elektronów w materiałach półprzewodnikowych do pasm przewodzenia za pomocą energii uzyskiwanej z absorpcji światła słonecznego. W ten sposób wytwarzany jest prąd stały o napięciu z pojedynczego ogniwa ok. 1-2 V. Jest to wartość niewystarczająca dla większości zastosowań, dlatego ogniwa łączone są w moduły, a następnie panele fotowoltaiczne, które zależnie od potrzeb mogą być zaprojektowane do pracy przy napięciu 12 V lub 14 V, aż do zastosowań dołączonych do sieci, gdy duże panele (dzięki szeregowemu łączeniu modułów) pracują przy napięciu 240 V lub więcej.
Systemy fotowoltaiczne mogą pracować w trzech układach:
• systemy wolnostojące - składają się z panelu fotowoltaicznego, akumulatora (magazynującego energię) oraz urządzenia kontrolującego stopień naładowania akumulatora,
• systemy hybrydowe - są kombinacją panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzania energii, takiego jak np. generator spalinowy, gazowy lub wiatrowy. Muszą posiadać bardziej skomplikowane układy kontrolne niż systemy wolnostojące, ale dzięki wykorzystaniu dodatkowego źródła energii panel fotowoltaiczny może być mniejszy. Dlatego w niektórych przypadkach system hybrydowy może być tańszy,
• systemy dołączone do sieci - postać „elektrowni” z dużą ilością paneli fotowoltaicznych oddających energię do sieci elektroenergetycznej lub zasilającej budynki. Układy takie nie potrzebują akumulatorów, włączane są do sieci poprzez falownik, który zamienia napięcie stałe na zmienne o odpowiedniej częstotliwości.

Czym tak naprawdę jest kolektor słoneczny?
Kolektory słoneczne służą do zamiany energii promieniowania słonecznego na energię cieplną magazynowaną w postaci ciepłej wody. Taka metoda przetwarzania energii solarnej jest uznawana za szczególnie wydajną i funkcjonalną. Kolektor odbiera energię słoneczną i przekazuje ją poprzez tzw. czynnik grzewczy i wymiennik ciepła znajdujący się w zbiorniku (bojlerze) do ogrzania wody, która może służyć jako ciepła woda użytkowa, woda wspomagająca pracę układu centralnego ogrzewania lub do innych celów, jak np. suszenie płodów rolnych.

Jak zbudowany jest kolektor płaski?
Kolektory płaskie są najpopularniejsze wśród kolektorów cieczowych. Absorberem jest powierzchnia wykonana z blachy miedzianej, aluminiowej lub mosiężnej, pomalowana warstwą specjalnych lakierów lub związków nakładanych galwanicznie (czarny chrom, tlenek tytanu itp.), których zadaniem jest podniesienie sprawności urządzenia (o czym będzie poniżej). Do absorbera przymocowane są rury, przez które przepływa ogrzewany czynnik grzewczy. Od góry kolektor zamknięty jest szybą z hartowanego szkła o małej zawartości związków żelaza.

Jak działa kolektor rurowy?
W przypadku kolektora rurowego absorberem jest specjalnie wykonana próżniowa rura szklana, do której wnętrza wprowadzona jest druga rurka (o mniejszym przekroju), w której znajduje się czynnik grzewczy.
W kolektorach rurowych próżniowych typu Heat-Pipe w zamkniętej rurze kolektora krąży mieszanka, np. alkoholowa, która podczas ogrzewania odparowuje - oddając „na sucho” ciepło przez wymiennik (własny lub zbiorczy) - i ponownie się skrapla.

Na czym polega działanie kolektora skupiającego?
Kolektory skupiające stanowią oddzielną grupę, ich głównymi elementami są soczewki lub zwierciadła zwiększające gęstość promieniowania słonecznego przekazywanego na powierzchnię absorbującą (płaską bądź rurkową). Ze względu na konieczność utrzymywania stałego ustawienia pod kątem padania promieni słonecznych - wymagają układów pozycjonujących i dlatego ich wykonanie jest dość kosztowne. Rzadko spotykane w zastosowaniach indywidualnych.

Do jakich celów może być wykorzystany kolektor słoneczny?
Słoneczne kolektory cieczowe znajdują zastosowanie przede wszystkim do wspomagania podgrzewania wody użytkowej w obiektach mieszkalnych, użyteczności publicznej i inwentarskich, basenach oraz wody technologicznej w małych zakładach przemysłowych, a także do wspomagania ogrzewania mieszkań i budynków.


Co to znaczy, że powłoka kolektora jest selektywna?
Tak naprawdę chodzi o powłokę absorbera - selektywną nazywana jest powłoka charakteryzująca się bardzo dużym współczynnikiem absorpcji i bardzo niskim współczynnikiem emisji (odbicia). Powłoki selektywne wykonuje się w wyniku galwanicznego nałożenia tlenków tytanu (lub, rzadziej już, czarnego chromu). Są one znacznie lepsze od powłok nieselektywnych, wykonywanych z czarnych lakierów (duża absorpcja, ale i duża emisja).

Jakie znaczenie ma jakość szklanej pokrywy kolektora?
Pokrywy szklane kolektorów płaskich wykonuje się z materiałów przezroczystych o niskiej refleksyjności - najczęściej ze szkła o niskiej zawartości związków żelaza i wytrzymałości ok. 750 Pa. Światło pada na wysokoselektywną powierzchnię (absorpcja rzędu 95-97%, np. tlenki metali). Zaabsorbowane ciepło jest przenoszone przez czynnik roboczy (np. wodę z glikolem) rurami miedzianymi do instalacji.

Od czego zależy skuteczność pracy kolektora?
Skuteczność pracy kolektora jest zależna głównie od konstrukcji, rodzaju użytych do jego budowy materiałów i jakości wykonania. Sercem kolektora jest płyta absorbera, której zadaniem jest absorbcja (pochłanianie) promieniowania słonecznego i oddanie wytworzonego ciepła do czynnika grzewczego.
Najkorzystniejsze są absorbery wykonane z miedzi, ponieważ ma ona najlepsze własności przewodzenia ciepła. Dzięki temu uzyskuje się wyrównaną temperaturę na całej płycie absorbera, co w pierwszym rzędzie gwarantuje maksymalne wykorzystanie energii cieplnej wytworzonej wskutek absorbcji energii słonecznej.

Jakie znaczenie ma układ przewodów w kolektorze słonecznym?
Zastosowanie najwyższej jakości materiałów nie jest jedynym czynnikiem gwarantującym sprawną pracę kolektorów. Właściwy odbiór ciepła z całej baterii słonecznej umożliwia tylko odpowiednio zaprojektowany układ przewodów wewnętrznych kolektora.
Na podstawie badań laboratoryjnych stwierdzono, że najkorzystniejszym układem przewodów dla kolektorów płaskich pracujących w baterii jest układ wężownicowy. Wykazuje on nieporównywalnie wyższą stabilność hydrauliczną od typowych układów z kanałami prostymi.

Jak sprawdzić jakość i co jest jej gwarancją?
Gwarancją jakości wykonania kolektorów słonecznych jest przede wszystkim nowa polska norma PN-EN 12975, według której są wykonywane kolektory i dobierany jest osprzęt instalacji solarnych. Norma wymaga m.in. odporności kolektora na mogące występować wysokie temperatury pracy, jak również podwyższonej odporności mechanicznej szyby przykrywającej kolektor (odporność na gradobicie).
Jednak najlepszą gwarancją wysokiej jakości wykonania kolektorów jest posiadanie certyfikatów szwajcarskiego instytutu SPF (Solartechnik Prüfung Forschung, Solar Collector Factsheet) rekomendowanego przez Swiss Federal Office for Energy (strona internetowa: www.solarenergy.ch).

Joanna Mosiewicz, Sebastian Osowski
W opracowaniu wykorzystano materiały:
- Krzysztof Syguda, Elementy instalacji solarnych, bit 12/2000; Ireneusz Jeleń, materiały szkoleniowe Viessmann;
- www.anmar.gd.pl
- Konsultacja: Paweł Długosz, Viessmann
Źródło: