Rodzaje kolektorów słonecznych - budowa, właściwości i zastosowanie

Polski rynek kolektorów rozwija się dość dynamicznie dzięki nowym firmom, promocji i wprowadzaniu na rynek produktów, coraz elastyczniej trafiających w gusta klientów. Do niedawna podstawowym warunkiem generującym czynniki sprzedażowe była cena, obecnie zauważa się, że oprócz niej inwestorzy zaczynają doceniać również jakość wykonania, pozycje firmy na rynku, umiejętność promocji własnego produktu, ale przede wszystkim jego efektywność i warunki w jakich ma on pracować.

Kolektory a polityka energetyczna Polski

W związku ze zmianami zachodzącymi na świecie i w Polsce coraz silniejszy jest trend przechodzenia ze źródeł energii wykorzystujących paliwa kopalne na źródła energii ekologicznie czyste. W związku z prognozowanym wyczerpywaniem się paliw (przy założeniu utrzymującej się tendencji w ich zużyciu), pod znakiem zapytania staje przyszłość światowej energetyki. 

Postulowany coraz powszechniej „Zrównoważony rozwój” pozwala mieć nadzieję na daleko idące zmiany zarówno w energetyce światowej, jak i polskiej. Przykładem na rodzimym podwórku mogą być dwa dokumenty rządu polskiego: „Strategie zrównoważonego rozwoju Polski do 2025 roku” z grudnia 1999 roku oraz „Założenia polityki energetycznej Polski do roku 2020” z lutego 2000 roku. W przypadku polskiego ustawodawstwa problemem jest brak narzuconych szczegółowych wytycznych stosowania i dostosowywania produkcji energii do zmieniających się warunków. Jedno z nielicznych uszczegółowień znalazło się w rozporządzeniu ministra gospodarki z 15 grudnia 2000 r., poprzez które zobowiązuje się np. dystrybutorów energii elektrycznej do zakupu energii ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych w ilości 2,4% całkowitej sprzedaży w 2001 r., aż do 7,5% w 2010 roku. Niestety - jak pokazało życie - wytyczne pozostały w sferze rozporządzenia. W przypadku krajów zachodnich UE stosowane są specjalne subwencje, niskooprocentowane kredyty i pomoc rządu i samorządów lokalnych w procesie przekształcania produkcji energii ze źródeł kopalnych na odnawialne.

Dom z kolektorami słonecznymi Fot. Wolf

Rodzaje kolektorów słonecznych

Pojęcie kolektorów słonecznych było - do niedawna jeszcze - tożsame z pojęciem kolektorów płaskich. Obecnie klienci mogą wybierać w bardzo różnych typach i rozwiązaniach konstrukcyjnych powyższych kolektorów, ale stali się bardziej świadomi nowych technologii i coraz częściej decydują się na kolektory próżniowe i to zarówno klasyczne, jak i znacznie droższe, wykonane w technologii „rurki cieplnej” (heatpipe).

A skoro już o konstrukcjach kolektorów mowa – to warto przypomnieć najbardziej klasyczny podział kolektorów, a mianowicie na dwie grupy:

• kolektory słoneczne powietrzne - wykorzystywane najczęściej w systemach ogrzewania powietrznego i służące do wstępnego poddrzewu powietrza, które zostaje następnie dogrzane przez urządzenie pracujące w sposób tradycyjny. Ze względu na niską sprawność wymiany ciepła spotyka się je bardzo rzadko w instalacjach solarnych. Nie można jednak powiedzieć, że nie mają one zalet... Pracują w niskiej temperaturze i zastosowanie ich pozwala na bezpośrednie ogrzewanie powietrza bez konieczności budowania instalacji z czynnikiem pośrednim, stosowania wymienników itp.;
• kolektory słoneczne cieczowe - mają dużo wyższą sprawność od kolektorów powietrznych, a co za tym idzie pozwalają na szersze wykorzystanie w instalacjach grzewczych. Kolektory te są dzielone na płaskie i rurowe próżniowe.

Kolektory cieczowe płaskie - ciekawostki budowy i pochłaniania ciepła

Najchętniej stosowane w praktyce kolektory cieczowe różnią się znacznie zarówno pod względem konstrukcyjnym, jak i możliwości zastosowań.

Budowa kolektora płaskiego: a) rama gięta z profilu aluminiowego, b) izolacja cieplna, c) meander miedziany z absorberem, d) przezroczyste przykrycie ze specjalnego szkła solarnego Fot. Viessmann

Kolektor jest zbudowany jako konstrukcja monoblokowa, zazwyczaj nierozbieralna. Składa się z obudowy nośnej mocującej wszystkie elementy, wykonanej zazwyczaj jako suma elementów z aluminiowo-cynkowej blachy dennej, ramy profilowej z aluminium oraz – w zależności od producenta – profilu uszczelniającego bądź spełniającego tą samą funkcję kątownika ozdobnego. Zazwyczaj elementy metalowe są dodatkowo malowane proszkowo na ciemne kolory, aby zminimalizować straty ciepła przez obudowę. Podstawową funkcję izolacyjną spełnia płyta izolacyjna zlokalizowana na samym spodzie konstrukcji kolektora, ponad blachą denną. Jako warstwa izolacyjna najczęściej jest stosowana wełna mineralna lub poliuretan, materiały odporne na wysoką temperaturę roboczą kolektora. Podczas wyboru kolektora należy również zwrócić uwagę na grubość warstwy. W dobrych kolektorach warstwa ta kształtuje się w granicach 50-60 mm. Dodatkową izolację stosuje się w pasie wzdłuż ramy profilowej, i wykonuje się ją z wysoko sprawnych i elastycznych materiałów np. z pianki melaninowo-żywicowej. Na izolacji termicznej posadowiona jest wężownica z rurek miedzianych, przez którą przepływa czynnik grzejny.

Kolektor płaski; przekrój i widok ogólny Fot. Vaillant 

Absorber - właściwości i budowa

Do wężownicy przymocowana bądź wtopiona jest płyta absorbera z miedzi, mosiądzu bądź aluminium, pokryta powłokami o bardzo dużym współczynniku absorpcji. Najbardziej rozpowszechniona w konstrukcjach jest miedź ze względu na swoje bardzo korzystne właściwości przewodzenia ciepła. Zapewnia ona zarówno bardzo dobre wykorzystanie energii cieplnej poprzez równomierny rozkład temperatury na całej płycie, jak i wysoką sprawność kolektora.

Cechami charakteryzującymi dobry absorber jest kombinacja dwóch współczynników. Pierwszym jest współczynnik absorpcji krótkofalowego promieniowania słonecznego, od którego wymagamy, aby był jak najwyższy, możliwie jak najbliższy wartości 1. W praktyce spotyka się kolektory o wartości tego współczynnika w granicach 0,90, a nawet 0,95. Drugim jest współczynnik emisji promieniowania. W paśmie fal długich powinien być jak najniższy, czyli jak najbliższy wartości 0. Można spotkać kolektory, dla których współczynnik ten wynosi 0,1.

Pokrycie wysokoselektywne na absorberze pozwala na zmaksymalizowanie pochłaniania promieniowania przy nikłym jego odbiciu i emisji promieniowania cieplnego. Pokrycie takie umożliwia zwiększenie wydajności kolektora słonecznego nawet do 50% poprzez ograniczenie emisji promieniowania. W zależności od producenta, powłoki te mają specjalny, opatentowany skład chemiczny i są objęte tajemnicą handlową. W większości przypadków taki sam status ma czynnik roboczy przepływający przez kolektor. Musi on się charakteryzować jak najmniejszą lepkością, najlepiej o zbliżonej gęstości do wody, bardzo wysokiej temperaturze parowania i bardzo niskiej temperaturze zamarzania. Czynnik roboczy jest zazwyczaj taki sam niezależnie czy pracuje w kolektorach płaskich, czy w klasycznych kolektorach próżniowych.

Powyżej absorbera jest pokrywa ze szkła solarnego. Nowoczesne kolektory charakteryzuj ą się specjalnym szkłem o zmniejszonej zawartości tlenków żelaza, co wpływa na minimalizację odbijania promieni słonecznych od powierzchni szyby. W nowoczesnych konstrukcjach na powierzchni pokryw szklanych stosuje się powłoki samoczyszczące, zapobiegające gromadzeniu się pyłów i zanieczyszczeń na lustrze, co może powodować zmniejszenie sprawności kolektora.  

Zysk ciepłą w kolektorach próżniowych

W przypadku klasycznego kolektora próżniowego sposób uzysku ciepła w porównaniu z kolektorem płaskim jest bardzo podobny. Konstrukcję nośną stanowi sam zbiorczy układ rur, który po przyłączeniu do zbiorczej obudowy, tworzy układ o dużej sztywności. Warstwy izolacyjne stanowi próżnia, która zmniejsza do minimum straty ciepła przez konwekcję pomiędzy płytą absorbera a rurą szklaną. Dzięki takiemu rozwiązaniu można wykorzystać nawet niewielkie promieniowanie słoneczne, rozproszone bądź odbite od innych powierzchni. Spora część kolektorów próżniowych na rynku polskim to kolektory sprowadzane z Chin. Wbrew obiegowym opiniom o jakości produkcji ze wschodu, akurat wytwarzanie rur próżniowych zostało opanowane przez tamtejszych producentów w stopniu doskonałym, z jednoczesnym zachowaniem bardzo konkurencyjnych cen za produkt.

Rury próżniowe są głównym elementem kolektorów i bezpośrednio wpływają na efektywność ciepła uzyskiwanego przez układ z promieniowania słonecznego. Obecnie wykorzystuje się kilka typów rur, z czego najpopularniejszy rodzaj ma podwójne szklane rurki próżniowe. Jego popularność związana jest z relatywnie niewielkimi kosztami wytwarzania, wysoką sprawnością i pewnością funkcjonowania w układzie. Podstawowe elementy konstrukcji to dwie rury szklane wykonane ze specjalnego szkła borokrzemowego. Zewnętrzna rura stykająca się z powietrzem zewnętrznym jest przezroczysta dla promieniowania słonecznego, wewnętrzna zaś - pokryta specjalną warstwą absorbera. Końce rur złączone są na stałe poprzez stopienie szkła i z przestrzeni pomiędzy rurami wypompowywane jest powietrze w celu uzyskania próżni.

W dolnej części układu stosowany jest bar, jako indykator zachowania próżni w rurach. Jeśli zachowana jest próżnia, warstwa baru ma postać metaliczną, w przypadku rozszczelnienia zaś przyjmuje ona barwę mleczno-białą, co umożliwia bieżącą, wzrokową kontrolę stanu próżni w rurach. W innej konstrukcji obie rurki są przezroczyste, zastosowany zaś absorber jest płytką zintegrowaną z wewnętrzną rurą. Na płycie absorbera zabudowany jest wymiennik w postaci dwóch współosiowych rurek, przez które przepływa czynnik grzejny. Dużą zaletą takiej konstrukcji jest możliwość zoptymalizowania odbioru ciepła z promieniowania poprzez obrócenie osiowe rur bezpośrednio do kierunku najbliżej zbliżonego do optimum.

 

Kolektor próżniowy Fot. Vaillant 

Heatpipe - szczególny rodzaj kolektora próżniowego

Kolektory próżniowe zaprojektowane z wykorzystaniem technologii „heatpipe” są zazwyczaj do siebie bardzo podobne. Rura próżniowa ma średnicę 8 mm i wypełniona jest parującym freonem, który skrapla się w jej górnej części, oddając ciepło w kondensatorze cieczy chłodzącej (50-milimetrowym odcinku rurki o średnicy 12 mm). Konstrukcja „rurki ciepła” jest szczelnie zamknięta w podwójnej rurze z próżnią, takiej samej jak w tradycyjnym kolektorze próżniowym. Rura ta ma zazwyczaj długość od 1500 do 1800 mm. Przemiana zachodząca w układzie jest przemianą izochoryczną, a więc zarówno temperatura, jak i ciśnienie w skraplaczu są wysokie.

Kolektor próżniowy „heatpipe” Fot. Viessmann 

Jaki kolektor słoneczny wybrać - płaski czy próżniowy?

Lokalizując kolektory na budynkach, stosuje się różne systemy ich zabudowy. Na dachach ze spadkiem montuje się z równym powodzeniem i kolektory płaskie i próżniowe, przy czym te pierwsze mogą oprócz rozwiązania z mocowaniem do konstrukcji stanowić również część pokrycia dachowego. Jeśli jednak dach jest płaski, nieodzowna staje się konstrukcja wsporcza dla kolektorów płaskich, kolektory próżniowe zaś można lokalizować bezpośrednio na powierzchni takiego dachu z dostosowaniem optymalnego kierunku ustawiania absorbera poprzez wspomniany powyżej osiowy obrót każ- dej z rurek. Na powierzchniach pionowych - takich jak elewacje, poręcze balkonowe, balustrady - dużo efektywniejsze jest zastosowanie kolektorów próżniowych.  

Ze względu na charakterystykę pracy oraz budowę kolektorów przyjmuje się, że:

• kolektory płaskie mają nieporównywalnie większą efektywność w sezonie letnim niż zimowym i z tego też względu najczęściej służą do wytwarzania ciepła na cele ciepłej wody i cele basenowe;
• kolektory próżniowe dzięki możliwości pracy przez cały rok (pozwalają na uzysk większej sprawności średniorocznej) pracują nie tylko na cele ciepłej wody, ale można je także wykorzystywać do wstępnego podgrzewu czynnika grzejnego na cele centralnego ogrzewania i ciepła technologicznego.

Odpowiednio zaprojektowana i wykonana instalacja solarna pozwala na uzyskanie ciepła, które może zapewnić pokrycie nawet do 40% całościowego rocznego zapotrzebowania na energię cieplną budynku jednorodzinnego.

Przykładowy schemat współpracy kolektora słonecznego z układem przygotowania c.w.u. i instalacją grzewczą c.o. Fot. Viessmann 

Kolektory próżniowe charakteryzują się ok. 30% większym uzyskiem energii w porównaniu z kolektorami płaskimi oraz łatwością przeprowadzania napraw i konserwacji dzięki możliwości wymiany pojedynczych rurek w przypadku ich uszkodzenia. Uszkodzenie kolektorów płaskich z kolei bardzo często wiąże się z wymianą całego lustra kolektora.

Jednak prócz zalet kolektory próżniowe mają również wady. Jedną z podstawowych jest dosyć duża kruchość i skłonność do pękania rur. W przypadku kolektorów „heatpipe” mają one dosyć długi okres rozruchowy, podczas którego następuje podgrzanie rurki z freonem do momentu wytworzenia w niej ciśnienia roboczego. Dopiero po tym czasie dochodzącym nawet do pół godziny, można mówić o pracy kolektora na potrzeby cieplne instalacji. Jeszcze inny problem związany jest z warunkami eksploatacji: kolektor taki pracuje na temperaturze powyżej 100°C, co powoduje podrożenie inwestycji poprzez wymóg stosowania materiałów odpornych właśnie na wysoką temperaturę.

Przed decyzją o wyborze...

Wszystkie kolektory występują w trochę innych wersjach konstrukcyjnych w zależności od producenta. Pojawiają się jednak ciekawe rozwiązania mające szansę wejść na stałe do oferty, jak na przykład system nadążny - pozwalający obracać się kolektorowi słonecznemu za promieniowaniem słonecznym. Jak podaje producent, rozwiązanie powyższe pozwala na zwiększenie uzysku energii o ok. 30 - 40% w porównaniu do kolektorów stacjonarnych.

Wybierając więc pomiędzy ofertami różnych producentów, należy w pierwszym rzędzie zdecydować, na jakie potrzeby ma pracować kolektor i jaką kwotę inwestor zamierza przeznaczyć na instalacje. Każdy z systemów ma swoje zalety i mankamenty w porównaniu z drugim, jednak- że instalacje powinny być zaprojektowane i przedyskutowane z użytkownikami pod kątem późniejszego wykorzystania. Wiadomo, że często o wyborze docelowego rozwiązania będzie decydowała nie tylko cena i efektywność, ale także estetyka, możliwości nośności dachu, lokalizacja kolektorów i zapotrzebowanie na ciepło - zarówno dzienne, jak i rozkład zapotrzebowania w ciągu roku. Po tak trudnej decyzji inwestora czeka parodniowy montaż instalacji (w zależności od wielkości i sposobu mocowania), który powinien być przeprowadzony przez grupę instalatorów certyfikowaną przez producenta montowanych kolektorów słonecznych. Na etapie pracy instalacji warto już tylko życzyć użytkownikom wielu słonecznych dni.  

Autor: mgr inż. Daniel Popławski, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska Źródło: Instalator