Kolektory słoneczne

Jak działają kolektory słoneczne?

Praca kolektora

Kolektory zawierają w sobie absorber, który jest ogrzewany przez promienie słoneczne. Pochłaniając promieniowanie zamienia je w ciepło. Następnie absorber ogrzewa czynnik grzewczy przepływający przez kolektor (woda lub niezamarzający płyn np. roztwór glikolu). Czynnik grzewczy przepływa do zasobnika, gdzie oddaje ciepło ogrzewanej wodzie użytkowej, a chłodny czynnik wraca do kolektora.

Wyróżniamy dwa typy kolektorów: płaski i próżniowy rurowy.

Kolektor płaski

Kolektor płaski jest bardziej popularny. Ma niższą efektywność energetyczną, traci też szybciej ciepło, ale łączy się to z niższą ceną. Stosowany jest głównie do sezonowego (marzec-październik) ogrzewania c.w.u.

Absorber promieniowania jest połączony z rurkami miedzianymi, w których płynie czynnik roboczy. Absorberem jest płyta (stalowa, miedziana, aluminiowa lub z tworzywa sztucznego), która została pokryta specjalną cienką powłoką zwiększającą skuteczność pochłaniania promieniowania słonecznego.

Zewnętrzną warstwę chroni szkło hartowane, teflon lub przezroczyste tworzywo. Daje ona ochronę przed czynnikami atmosferycznymi takimi jak deszcz czy śnieg. Pozwala również na zatrzymanie promieniowania wewnątrz kolektora, dzięki czemu czynnik grzewczy może osiągać wyższą temperaturę. Spód jest zabezpieczony warstwą izolacji cieplnej, która tworzy barierę przed oddawaniem ciepła na zewnątrz.

Kolektor rurowy próżniowy

Pierwszy typ ma wbudowanych kilka lub kilkanaście rur szklanych. W każdej jest próżnia znacznie obniżająca straty ciepła (w porównaniu do kolektorów płaskich). Każda rura próżniowa ma wbudowany absorber i rurkę, w której czynnik roboczy się nagrzewa. Dodatkowo wewnątrz rur mogą znajdować się specjalne lusterka dzięki którym więcej promieni słonecznych pada na absorber.

Są droższe ale również wydajniejsze od kolektorów płaskich. Mogą pracować w oparciu o bezpośredni przepływ czynnika roboczego lub rurkę ciepła.

Drugie rozwiązanie wykorzystuje parujący czynnik roboczy, który nagrzało promieniowanie słoneczne. Para unosi się do wymiennika zamontowanego na końcu rurki kolektora. Tam ciepło jest oddawane czynnikowi grzewczemu, który ulega skropleniu z powrotem do środka rurki. Ten rodzaj kolektorów charakteryzuje się najwyższym poziomem sprawności. Sprawdzi się szczególnie zimą i w pochmurne dni, gdy większość promieniowania ulega rozproszeniu.

Wykorzystanie kolektorów słonecznych w domu

Ze względu na warunki panujące w Polsce kolektor będzie wymagał wspomagania, szczególnie jeśli ma służyć w systemach grzewczych. Przyczyną jest stosunkowo mało dni z długim okresem nasłonecznienia, często występuje zachmurzenie, które ogranicza pracę kolektorów.

Korzyści z systemu solarnego będziemy czerpać szczególnie w sezonie między marcem a październikiem, gdy instalacja może pokryć nawet 90% zapotrzebowania na ciepłą wodę. W najcieplejszych miesiącach tj. maj-sierpień kolektory mogą pokryć całość zapotrzebowania energii do podgrzewania wody. Dobrze dobrana instalacja pozwoli na pokrycie około 30% zapotrzebowania na cele grzewcze.

Szacuje się, iż 1-1,5 m² powierzchni kolektora płaskiego wystarczy na ogrzewanie c.w.u. dla jednej osoby. W przypadku kolektora rurowego wystarczy 0,6-0,8 m² na pokrycie zapotrzebowania jednej osoby.

Zainstalowanie kolektorów szczególnie opłaca się w domach, gdzie ogrzewanie jest elektryczne, ponieważ zmniejsza się zapotrzebowanie na prąd, którego ceny rosną. W domach z kotłami na paliwo stałe instalacja solarna rzadziej trzeba dokładać opału, co może być ułatwieniem. Dodatkowo, im większe zużycie wody w domu, tym bardziej opłacalna staje się inwestycja. Nawet w chłodniejsze miesiące (gdy praca instalacji trwa 2 – 3 godziny) kolektory mogą podgrzać wodę w zbiorniku o kilka stopni.

Aby instalacja działała prawidłowo, musi zawierać również akumulator ciepła. Jest nim zasobnik, w którym gromadzi się gorącą wodę. Jego pojemność to kilkanaście litrów, co wystarcza na pokrycie nawet 3 dniowego zapotrzebowania na ciepłą wodę rodziny czteroosobowej.

Zbiornik ma wbudowaną wężownicę, którą płynie gorąca woda z kolektora. Krąży ona w obiegu zamkniętym, który jest wymuszany przez pompę cyrkulacyjną. Dzięki temu instalacja słoneczna może współdziałać z kotłem pełniącym funkcję podstawowego źródła ciepła. Jeśli promieniowanie nie wystarcza do podgrzania wody, system uruchamia dodatkowe podgrzewanie wody np. kocioł. Dzięki temu można obniżyć koszty ogrzewania wynikające ze zmniejszonego zużycia paliwa, dodatkowo ciepła woda jest dostępna niezależnie od liczby słonecznych dni. Innym rozwiązaniem jest zasobnik z wbudowaną grzałką elektryczną, która dogrzeje wodę w razie potrzeby.

Kolektory – rodzaje instalacji słonecznych

Najtańszym i najprostszym rozwiązaniem jest zainstalowanie kolektora w instalacji grawitacyjnej. Nie ma wtedy potrzeby dodatkowej instalacji pompy obiegowej, ponieważ ogrzana woda sama płynie do góry. Wystarczy zamontować zbiornik powyżej kolektora. To rozwiązanie sprawdzi się w domkach letniskowych i prostych instalacjach z elektrycznym podgrzewaczem.

Inna możliwość to wykorzystanie pompy cyrkulacyjnej, która tłoczy zimną wodę do kolektora. To najczęstsze rozwiązanie w przypadku domów jednorodzinnych. Plusem jest dowolność miejsc instalacji kolektora i zbiornika, nie muszą być odpowiednio ułożone względem siebie. Jeśli instalacja ma działać cały rok, należy wybrać tę z niezamarzającym czynnikiem roboczym. Wiąże się to z niewielkim spadkiem wydajności systemu i wyższym kosztem instalacji słonecznej.

Koordynacja działania układu kolektora i kotła wymaga zastosowania automatycznego systemu, który w razie potrzeby włączy drugie źródło ciepła.

Opłacalność kolektorów słonecznych

Koszty można podzielić na te związane z zakupem i montażem elementów (rury, zasobnik, dodatkowy wymiennik lub grzałka elektryczna, pompa cyrkulacyjna, zawory, automatyka) oraz koszty utrzymania. Instalacja wymaga przeprowadzania okresowych przeglądów, usuwania ewentualnych usterek i wymiany zużytych elementów. Przy wykorzystaniu pompy cyrkulacyjnej trzeba również doliczyć koszt energii elektrycznej niezbędnej do zasilania pompy.

Kolektory słoneczne sprawdzą się szczególnie do ogrzewania wody użytkowej i dzięki ich wykorzystaniu możemy oszczędzić. Niestety, ze względu na panujące w Polsce warunki nie pozwalają na wykorzystanie instalacji również do systemu grzewczego jako podstawowego źródło ciepła. Wykorzystanie systemu może pozwolić na obniżenie kosztu przygotowania c.w.u. nawet o 70%. Warto więc rozważyć taką instalację, ponieważ daje pewną autonomiczność w zaspokajaniu potrzeby na ciepło, koszty utrzymania są niskie (w przeciwieństwie do innych instalacji nie płacimy za źródło zasilania w postaci prądu czy paliw kopalnianych), ogromną zalety instalacji jest również aspekt ekologiczny.

Zanim podejmiemy decyzję inwestycji w kolektory słoneczne (szczególnie w przypadku budowy domu lub lokala użytkowego), warto się zastanowić nad innymi rozwiązaniami jak na przykład fotowoltaika razem z ogrzewaniem elektrycznym.