Kolektory słoneczne

opublikowano: 2019-12-10 14:13:36

Kolektor słoneczny to urządzenie zamieniające energię słoneczną na energię cieplną. Najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Istnieją również tubowe kolektory próżniowe, które posiadają wyższą sprawność przetwarzania energii, jednak są droższe.

 

Jeśli chce się energię ze Słońca pozyskiwać bezpośrednio za pomocą kolektorów słonecznych, to trzeba pogodzić się z myślą, że słońce nie daje tyle ciepła ile nam potrzeba. Na pewno w ten sposób nie można zapewnić ciągłości i równomierności ogrzewania. Pewnym rozwiązaniem niwelującym te niedogodności są zasobniki z wodą, w których to ciepło może być gromadzone, jednak nie jest ono doskonałe, ponieważ nie jest w stanie pokryć w całości potrzeb w zakresie przygotowania ciepłej wody użytkowej, nie mówiąc już o ogrzewaniu pomieszczeń. Mimo to, kolektory słoneczne zyskują coraz więcej zwolenników. Jednak stanowić one będą zawsze tylko rozwiązanie uzupełniające.

 

Kolektory słoneczne służą do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia docierające do kolektora służy do produkcji nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).

Kolektory można podzielić na:

  • płaskie
    • gazowe
    • cieczowe
    • dwufazowe
  • płaskie próżniowe
  • próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury)
  • skupiające (prawie zawsze cieczowe)
  • specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna)

Budowa kolektora płaskiego

Kolektor płaski składa się z:

  • przezroczystego pokrycia;
  • absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną);
  • wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera);
  • izolacji (przeważnie wełna mineralna lub pianka poliuretanowa)

Budowa kolektora próżniowo-rurowego

Kolektor próżniowo-rurowy składa się z:

  • rur próżniowych w których element zbierający ciepło tzw. absorber znajduje się w próżni co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych takich jak nasza. Absorpcja ciepła słonecznego nie jest wówczas uzależniona w tak znaczącym stopniu od temperatury zewnętrznej , dzięki czemu stosując panel tego typu możemy liczyć na znaczne zyski ciepła w instalacji nawet w mroźne zimowe słoneczne dni.
  • niektóre z kolektorów posiadają zwierciadło dodatkowo doświetlające absorber ze strony odsłonecznej, jest ono wykonane poza rurkami , bądź naniesione na rurkę próżniową w postaci lustra, w zależności od producenta.

Kolektory skupiające

kolektor skupiającyW kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji.

Sprawność kolektora

Zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur a sprawnością

Zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur a sprawnością

Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora. Sprawność kolektora spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem.

Wykres przedstawia zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur (różnica średniej temperatury czynnika i temperatury otoczenia podzielona przez gęstością promieniowania słonecznego) a sprawnością kolektora.

Popularne zastosowania

Schemat prostej instalacji do podgrzewania cwu.

Schemat prostej instalacji do podgrzewania cwu.
 

Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do:

  • podgrzewania wody użytkowej,
  • podgrzewanie wody basenowej,
  • wspomagania centralnego ogrzewania.

Do celów tych służą cieczowe kolektory płaskie i próżniowe. Schemat prostej instalacji do podgrzewania ciepłej wody użytkowej zawiera:

  1. kolektory słoneczne (w domkach jednorodzinnych od dwóch do czterech),
  2. regulator (uruchamiający pompę obiegu gdy zaistnieje odpowiednia różnica temperatur pomiędzy wyjściem z kolektora a zbiornikiem),
  3. pompę,
  4. naczynie przeponowe (kompensujące rozszerzalność temperaturową czynnika),
  5. zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową, z dwiema wężownicami lub płaszczami grzejnymi (dolna zasilana czynnikiem z kolektorów słonecznych, górna innym źródłem ciepła),
  6. inne źródło ciepła (kocioł, pompa ciepła, kominek z płaszczem wodnym)

Zasoby energii słonecznej w Polsce

W Polsce pogoda jest kapryśna a ilość dni słonecznych w roku zmienna, dlatego trudno jest podać formułę na ilość dostępnej energii. Najlepiej w takim przypadku posłużyć się statystyką, która mówi, że najlepsze i najsprawniejsze kolektory słoneczne są w stanie dostarczyć rocznie z każdego metra kwadratowego powierzchni czynnej około 450 kWh energii. Jest to granica wyznaczona przez prawa fizyki i pogodę w naszej strefie klimatycznej.

nasłonecznienie

(źródło: Europejskie Centrum Energii Odnawialnej)

Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Poniższa mapa prezentuje rozkład średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok (wielkości wskazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w ciągu roku dla wskazanych rejonów kraju).

 

Istotny wpływ na wielkość pozyskiwanej energii ma kąt nachylenia kolektora w stosunku do padania promieni słonecznych. W poniższej tabeli przedstawiono optymalne wartości kątów dla ekspozycji południowej według kryterium maksymalizacji energii promieniowania całkowitego.

miesiące

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

kąt nachylenia względem poziomu

60

55

45

30

15

10

15

30

45

55

65

65

Zasoby energii słonecznej w Polsce(źródło: www.ekologika.pl)

 

W naszej szerokości geograficznej Słońce oferuje około 1000 Watów mocy na każdy metr kwadratowy napromieniowanej powierzchni. Niezależnie od jakości kolektora może on pobrać tylko pewną jej część. Wynika to z faktu, że nagrzany przez słońce kolektor tym więcej traci do otoczenia im jego temperatura jest wyższa od temperatury otaczającego go powietrza.

 

Różnica temeratur - kolektor, a otoczenieNa przykład, w piękny słoneczny dzień kolektor może z łatwością nagrzać się do temperatury +100°C. Lecz jeśli rzecz się dzieje na przykład zimą, gdy temperatura powietrza wynosi 0°C, to w takim wypadku różnica temperatur kolektor - otoczenie wyniesie 100 stopni Celsjusza (lub jak kto woli 100K) i zgodnie z przedstawioną na wykresie zależnością sprawność absorpcji spadnie do 30% dla zwykłego kolektora płaskiego, natomiast dla próżniowego wyniesie ona 45%. Tłumacząc procenty na moce otrzymamy odpowiednio z dostarczanych w piękny słoneczny dzień 1000W - w pierwszym przypadku 350W, a w drugim 450W. Jednak nie znaczy to, że ta moc cieplna zostanie w całości wykorzystana. Po drodze jeszcze traci się od 7 do 10 % z powodu strat przy przesyłaniu ciepła. Pozostała wielkość ciepła i tak jest warta wykorzystania.

Zalecenia montażowe

W celu optymalnego wykorzystania kolektor powinien być ustawiony prostopadle do padania promieni słonecznych. Ponieważ najintensywniejsze promieniowanie występuje w godzinach południowych, dlatego płaszczyzna kolektora powinna być skierowana w kierunku południowym, zaś kąt nachylenia (kąt pomiędzy poziomem a płaszczyzną kolektora) powinien znajdować się w przedziale 30° a 45°.

Kolektory słoneczne montuje się zazwyczaj na dachach domów, rzadziej na ścianach, zaś służące do podgrzewania wody w basenach - na ziemnych konstrukcjach.

Zastosowanie

Kolektory słoneczne są stosowane przede wszystkim do ogrzewania wody, idealnie nadają się do domków letniskowych, gdzie ciepła woda jest potrzebna wtedy, gdy słońce dostarcza najwięcej energii. Często wykorzystuje je się do ogrzewania basenów. Ponadto, mogą być stosowane w domach jednorodzinnych całorocznych jako rozwiązanie uzupełniające podstawowy system grzewczy np. pompy ciepła, ogrzewanie elektryczne.

(źródło: wikipedia.pl; mojaenergia.pl)