Zasada działania

Zasada działania kolektora słonecznego

Zadaniem kolektora słonecznego jest pobieranie energii z promieniowania bezpośredniego, rozproszonego i odbitego, a następnie przekazywanie jej do instalacji grzewczej.

Kolektory pobierają energię z promieniowania bezpośredniego, odbitego i rozproszonego.

Kolektory słoneczne – zasada działania:

• Słońce ogrzewa umieszczony w kolektorze absorber, który pochłania promieniowanie słoneczne i zamienia je w ciepło. Skuteczność pochłaniania zależy od rodzaju absorbera. Zwykły, czarny absorber dużą część promieniowania odbija. Skuteczniejszy jest tzw. absorber selektywny – pochłania on 95% padającego na niego promieniowania.
• Od absorbera ogrzewa się czynnik grzewczy (może to być woda lub płyn niezamarzający), który przepływa przez kolektor.
• Ogrzany płyn przepływa do zasobnika.
• Tam oddaje ciepło ogrzewanej wodzie użytkowej, znajdującej się w zasobniku, i ochłodzony wpływa z powrotem do kolektora.

Zasada działania kolektora słonecznego – co wpływa na sprawność kolektora?

Energooszczędność kolektorów związana jest także z uzyskaniem możliwie wysokiej sprawności ich pracy. Przede wszystkim zależy ona od ustawienia względem stron świata – największą wydajność mają urządzenia zwrócone w kierunku południowym.

Kolektor płaski może być odchylony o maksimum 15° w kierunku wschodnim lub zachodnim, bo wtedy jego sprawność obniży się nieznacznie. Jeśli odchylenie jest większe, kolektor musi mieć większą powierzchnię niż w przy ustawieniu w kierunku południowym.

Jeśli dom ma niekorzystne położenie względem stron świata, warto zastosować kolektory rurowe, w których można indywidualnie dopasować kierunek ustawienia absorbera. Kolektory rurowe mogą mieć większe dopuszczalne odchylenie od południa niż kolektory płaskie – kąt nachylenia absorbera regulujemy w każdej rurze indywidualnie.

Dla wydajności kolektora duże znaczenie ma również kąt ustawienia kolektora. Najlepsze efekty uzyskamy, gdy promienie będą padać prostopadle do jego powierzchni. Ponieważ położenie Słońca zmienia się w ciągu roku, także optymalny kąt nachylenia kolektora nie jest stały: w lecie wynosi 30°, a zimą – 60°. Kolektory, które mają pracować tylko latem, można ustawić pod kątem 30°, całoroczne pod kątem 45°. Zmiana nachylenia kolektora zamontowanego na połaci dachu nie jest możliwa, ale między 35° a 50° sprawność kolektora spada w bardzo niewielkim stopniu.

Ilość pozyskiwanej przez kolektor energii zależy także od miejsca montażu urządzenia. Jeżeli kolektory rurowe lub płaskie próżniowe są ustawione na powierzchni ziemi lub przy ścianach budynków, to im bardziej są nachylone, tym więcej pada na nie promieniowania odbitego od otaczających go powierzchni. A to oznacza, że kolektor zaabsorbuje więcej ciepła.

Całkowite natężenie promieniowania zależy m.in. od warunków pogodowych

Niestety jest czynnik, który zmniejsza wydajność kolektorów. Jest to… zwykły kurz. Szkodzi on przede wszystkim płaskim kolektorom niepróżniowym, gdyż osiada nie tylko na powierzchni, ale także na absorberze (obudowy tych kolektorów są zazwyczaj nieszczelne). Promieniowanie słoneczne, zamiast docierać do absorbera, jest odbijane i rozpraszane na drobinkach kurzu. Po kilku latach eksploatacji sprawność kolektora może spaść nawet o 30%. Powierzchnię kolektora należy więc myć raz w roku.

Gdzie zamontować kolektor?

Kolektory warto ustawić pod takim kątem, żeby pozyskiwały maksymalnie dużo ciepła (fot. Bachus)

Przede wszystkim miejsce montażu nie może być zacienione przez drzewa lub budynek. Usytuowanie względem domu może być różne: na dachu, w dachu i jako wolno stojące. Możliwy jest także montaż na ścianie budynku, ale dotyczy to tylko niektórych typów kolektora.

Najbardziej rozpowszechnione jest montowanie kolektorów na dachu. W ten sposób można zainstalować każdy typ kolektora, nie tylko w trakcie, ale także po wybudowaniu domu. Wystarczy podczas pokrywania dachu zamontować uchwyty dachowe i wyprowadzić na zewnątrz przewody rurowe, do których podłączone będą kolektory.

Zaletą tego sposobu instalacji jest niższa cena, krótszy czas montażu i brak konieczności poświęcenia kawałka działki na kolektory. Wadą są trochę większe straty ciepła w porównaniu z kolektorami montowanymi w dachu. A zatem z punktu widzenia energooszczędności lepszym rozwiązaniem będzie wbudowanie kolektorów w połać dachową.

W dach możemy wbudować jedynie kolektory płaskie, pod warunkiem że nachylenie dachu wynosi min. 25°. Zaoszczędzamy w ten sposób na ilości dachówek, ale musimy zapłacić więcej za montaż, gdyż kolektory ze wszystkich stron muszą być zabezpieczone przed przedostawaniem się wody.

Kolektor wolno stojący można ustawić optymalnie względem stron świata zwiększając w ten sposób jego maksymalną wydajność
(fot. Bachus)

Kolektory montowane na ziemi lub na dachu płaskimmożna optymalnie ustawić względem słońca i w ten sposób zwiększyć sprawność urządzenia. Dodatkowo skuteczność pracy kolektorów zwiększa odbite od ziemi promieniowanie. Wadą tego rozwiązania w przypadku kolektorów wolno stojących są straty ciepła powstające podczas przepływu czynnika grzewczego z kolektora do instalacji w budynku.

Zaletą tego sposobu montażu jest niższy koszt montażu, ale wymagane jest zapewnienie odpowiedniej stabilności kolektora i zabezpieczenie konstrukcji przed burzą.

Gdy kolektory zamontowane są na powierzchni ziemi, dużo łatwiej można je umyć lub odśnieżyć. A to zwiększy ich wydajność, czyli energooszczędność systemu podgrzewania c.w.u. W przypadku awarii tańsza jest również ich naprawa. Kolektory można też montować na ścianie budynku lub przy południowej ścianie budynku. Ściana jest bardziej wytrzymała niż dach, dzięki czemu nie trzeba jej wzmacniać. Kolektor jest też mniej narażony na chłodzące działanie wiatru. Ponadto wykorzystuje się tu dodatkowe promieniowanie, które odbija się od ziemi i obiektów znajdujących się w pobliżu kolektora. Jednak nie każdy kolektor da się tak zamontować – ze względu na większe opory przepływu musi on być przystosowany do montażu w pozycji pionowej.

Kolektory z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego i koncentryczne można montować do dachów spadzistych, płaskich lub balkonów wzdłuż lub w poprzek bez strat promieniowania.

Kolektory rurowe typu heat-pipe muszą być zamontowane z minimalnym nachyleniem 20°.

Zasada działania kolektora słonecznego – do czego służy obieg solarny?

Tak zbudowana jest instalacja solarna

Zadaniem obiegu solarnego jest doprowadzenie ciepła z kolektorów do zasobnika, w którym będzie ono magazynowane.

Obieg solarny składa się z kolektorów, przewodów rurowych, solarnego zestawu pompowego, urządzeń zapewniających bezpieczeństwo działania instalacji i zasobnikowego wymiennika ciepła.

Największy wpływ na sprawność instalacji mają przewody rurowe i zasobnikowy wymiennik ciepła.

• Przewody rurowe. Długość rur między zasobnikiem a kolektorem powinna być możliwie jak najkrótsza – wtedy straty ciepła przy przepływie ogrzanego czynnika z kolektora do zasobnika będą najmniejsze. Wszystkie rury trzeba odpowiednio zaizolować (tu jest źródło dużych strat ciepła!), a?elementy gumowe, np. uszczelki, przepony, mające styczność z czynnikiem roboczym przepływającym w instalacji muszą być wykonane z materiałów niewchodzących w reakcję chemiczną z tym czynnikiem.
• Zasobnikowy wymiennik ciepła. Kolektor dostarcza ciepło najczęściej wtedy, gdy go nie potrzebujemy, czyli w ciągu dnia. A ciepłą wodę zużywamy zazwyczaj po południu i wieczorem. Żeby więc energię wyprodukowaną w ciągu dnia można było wykorzystać wieczorem, trzeba zgromadzić ją w zasobniku solarnym.

Nie warto oszczędzać na pojemności zasobnika. Gdy będzie większy, na dłużej wystarczy zapas wody ogrzanej przez słońce (fot. Nibe-Biawar)

Najbardziej rozpowszechnione są zasobniki dwusystemowe biwalentne. Znajdują się w nich dwa wymienniki ciepła. Dolnym przepływa czynnik roboczy z obiegu solarnego, górnym – woda ogrzana w kotle.

Zazwyczaj wykorzystuje się zasobniki o pojemności pokrywającej zapotrzebowanie na ciepłą wodę w ciągu od jednego do trzech dni, w czasie których solary nie grzeją. Pamiętajmy, że im większa jest pojemność zasobnika, tym dłużej będziemy korzystać ze zgromadzonej wcześniej energii słonecznej w pochmurne dni.

Dla czteroosobowej rodziny warto kupić zbiornik o pojemności 600 l. Oczywiście możemy kupić mniejszy, jednak w razie niepogody zapas ciepłej wody się szybciej skończy i będziemy musieli dogrzewać wodę w sposób konwencjonalny.

Zamiast zasobnika z podwójną wężownicą można zastosować prostsze rozwiązanie, czyli zasobnik z pojedynczą wężownicą i grzałką elektryczną. W wężownicy krąży płyn z obiegu solarnego, a dogrzewanie wody jest zapewnione dzięki grzałce. Jest to rozwiązanie droższe eksploatacyjnie niż wymiennik z podwójną wężownicą, ale jest wygodne, zwłaszcza gdy dom ogrzewamy za pomocą kotła na paliwo stałe.

Jaka wielkość kolektora?

Jego wielkość powinna być taka, żeby uzyskać z niego średnio 85–95% ciepłej wody użytkowej w półroczu letnim. Można przyjąć, że czteroosobowa rodzina potrzebuje kolektora:

• płaskiego o powierzchni 1–1,5 m² na 1 osobę, czyli 4–6 m² albo
• rurowego o powierzchni 0,6–0,8 m² na 1 osobę, czyli 2,4–3,2 m².

Stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę w różnych miesiącach roku, w zależności od powierzchni kolektorów, dla czteroosobowej rodziny

Jeśli instalacja solarna ma współpracować z instalacją centralnego ogrzewania, przyjmuje się, że na 1 m² budynku przypada od 0,3 do 0,5 m² powierzchni płaskiego kolektora rurowego. A oto powierzchnia kolektorów, które mają ogrzewać wodę w basenie:

• krytym – ok. 40% powierzchni jego lustra wody,
• otwartym – ok. 70% tej powierzchni.

Jeżeli przykładowo basen ma wymiary 5 razy 10 m, kolektory powinny mieć powierzchnię:

• 20 m² do basenu krytego,
• 35 m² – do otwartego.

Czym wypełnić instalację solarną?

Do wyboru mamy zwykłą wodę lub płyn niezamarzający. Wodęmożna stosować tylko w instalacjach działających w okresie od późnej wiosny do jesieni. Na okres zimowy instalację musimy opróżniać z wody, w przeciwnym razie może uszkodzić rury. W instalacjach całorocznych lub działających od wczesnej wiosny do późnej jesieni instalacja musi być napełniona płynem niezamarzającym, co jest częściej stosowane. Musimy jednak kupić wysokiej jakości zasobnik, żeby zminimalizować ryzyko rozszczelnienia układu i przedostania się szkodliwego płynu do instalacji c.w.u.

Czy kolektor ogrzeje dom?

Firmy sprzedające i instalujące kolektory słoneczne proponują wykorzystywanie ich nie tylko do podgrzewania c.w.u., ale także wody na cele c.o. Jest to możliwe jedynie w instalacjach niskotemperaturowych (zwłaszcza ogrzewania podłogowego), których czynnik grzewczy może mieć temperaturę około 40°C. Jednak potrzebne są wtedy kolektory o znacznie większej powierzchni i bardziej skomplikowanej instalacji niż w przypadku przygotowania ciepłej wody. Jest to rozwiązanie godne polecenia, ale tylko dla osób, które stać na taki wydatek. Z punktu widzenia ekonomiki inwestycji, nakłady są zbyt wysokie w stosunku do zysków, nawet w aspekcie energooszczędności.

Opisz swoje potrzeby, a my zaproponujemy Ci najlepsze rozwiązanie