Kolektor słoneczny (solarny) to urządzenie, w którym zachodzi proces konwersji energii słonecznej na energię cieplną (konwersja fototermiczna) , która jako ciepło przechodzi przez układ solarny do zasobnika z wodą użytkową. Inaczej mówiąc jest to urządzenie do konwersji energii słonecznej na ciepło. Energia docierająca do kolektora zamieniana jest na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).
Rys 2 Schemat instalacji solarnej. Źródło: Poradnik energetyka gminnego
Rodzaje kolektorów – budowa
płaskie, zbudowane z układu cienkich rurek przymocowanych do metalowej płyty pokrytej tak zwaną powłoką selektywną. Całość jest zamknięta w obudowie, która ma ograniczyć straty ciepła i chronić kolektor przed uszkodzeniami, a jednocześnie nie utrudniać przenikania promieniowania słonecznego do wnętrza. Płynąca rurkami kolektora ciecz (zwykle stosuje się trudno zamarzający roztwór glikolu) ogrzewa się od rozgrzanej przez słońce powierzchni płyty i przylegających do niej ścianek rur. Od jakości użytych materiałów i precyzji wykonania zależy sprawność kolektora, a także ilość energii jaką dostarczymy do instalacji przy określonej powierzchni. Tego typu kolektory wykorzystano w trakcie realizacji projektu „Leśniowice - gmina Malowniczego Wschodu stawia na odnawialne źródła energii”.
Kolektory słoneczne płaskie składają się z następujących elementów:
- rama uszczelniona
- szklane przykrycie
- płyta absorbera
- orurowanie absorbera
- mata z włókna szklanego
- izolacja
- króćce przyłączeniowe
próżniowe, w których jako izolacja termiczna wykorzystywana jest próżnia, mają kształt cylindryczny i noszą nazwę kolektorów próżniowych. Rury próżniowe są mocowane szeregowo w izolowanej szynie zbiorczej, w której biegną rurki miedziane zbiorcze. Ogrzewanie płynu w rurach może działać na dwa sposoby:
- Poprzez kanały przepływowe z czynnikiem grzewczym które mają postać litery U w rurze próżniowej (ogrzewanie płynu następuje przy jego przepływie przez kanał);
- Poprzez zamkniętą pojedynczą rurę nazywaną także „ rurką ciepła” i działającą na zasadzie kondensatora. W rurkach tych znajduję się łatwo odparowująca ciecz ( temp. Wrzenia ok 25-30’C). Przy ogrzewaniu rur przez słońce ciecz zaczyna parować, powstała para konwekcyjnie przechodzi do końcówki rury umiejscowionej w kanale zbiorczym, który jest wymiennikiem ciepła, poprzez kondensator ciepło jest oddawane do kanału głównego w szynie zbiorczej kolektora. Para w kondensatorze schładza się, zamienia w ciecz i spływa na dół do ponownego nagrzania.).
skupiające (zwierciadło) zbudowane są z układu soczewek i luster, które sprawiają, że padające promieniowanie jest skupiane i kierowane do absorbera, będącego jednocześnie. wymiennikiem ciepła. Czynnikiem grzewczym może być ciecz (np. woda, olej) lub gaz (np. hel, powietrze).
Sprawność kolektorów
Charakterystyka sprawności kolektora słonecznego wynika z bilansu energetycznego pomiędzy uzyskiem wchłoniętego promieniowania słonecznego a stratami optycznymi oraz termicznymi. W uproszczeniu sprawność jest stosunkiem energii użytecznej kolektora słonecznego do energii docierającego do niego promieniowania słonecznego. Kolektory zastosowane w projekcie charakteryzują się sprawnością 82.5 %
Cechą charakterystyczną uproszczonej krzywej sprawności jest jej spadek wraz ze wzrostem różnicy temperatury pomiędzy absorberem a otoczeniem. Straty optyczne są niezależne od tej różnicy temperatur, a straty ciepła zwiększają się wraz z jej wzrostem.
Zasady montażu kolektorów
W przypadku pozyskiwania energii ze słońca, zasadniczym problemem jest nierównomierny rozkład energii słonecznej docierającej do ziemi w poszczególnych miesiącach. Głównym założeniem przy optymalizacji ustawienia kolektorów powinno być zwiększenie energii docierającej do kolektorów słonecznych w okresie ich pracy (lato/zima) oraz wyrównanie poziomu docierającej energii.
Podsumowując przy wyborze optymalnego kąta nachylenia do pozycji horyzontalnej (kąt nachylenia względem płaszczyzny podłoża, tzw. inklinacja), musimy wziąć po uwagę przede wszystkim okres pracy instalacji:
Jeżeli instalacja solarna planowana jest do całorocznego podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u) optymalnym ustawieniem jest zakres kątów 55⁰–65⁰. Zyskujemy znaczne zwiększenie ilości energii docierającej do kolektora w zimnie, mamy jej także sporo więcej wiosną i jesienią. W lecie następuje nieznaczny spadek energii docierającej do kolektora, który bez problemu jest kompensowany znacznie większym nasłonecznieniem w tym okresie.
Drugim istotnym parametrem związanym z odpowiednim usytuowaniem kolektora słonecznego jest jego lokalizacja względem stron świata, czyli jego odchylenie od kierunku południowego, zwanego inaczej deklinacją. Kolektor płaski odchylony o kąt większy niż 15 stopni w kierunku wschodnim lub zachodnim względem kierunku południowego wyprodukuje znacznie mniejszą ilość ciepła niż analogiczny kolektor usytuowany w kierunku południowym. Reasumując, jeśli odchylenie kolektora słonecznego jest większe niż 15 stopni w kierunku wschodnim lub zachodnim względem kierunku południowego, aby wyprodukować podobną ilość ciepła co kolektor usytuowany w kierunku południowym, powierzchnia kolektora musi być większa.
Całkowite natężenie promieniowania słonecznego w zależności od warunków pogodowych:
- Bezchmurne niebieskie niebo – 1000 W/m2,
- Słońce przebija się przez chmury – 600 W/m2,
- Słońce zamglone - 300 W/m2,
- Pochmurny zimowy dzień – 100 W/m2.
Kolektory nie mogą być także zacienione przez inne budynki ani drzewa. Każde zacienienie powoduje spadek wydajności kolektora. Występuje też inny czynnik, który zmniejsza ich sprawność, a jest nim kurz osiadający na powierzchni i zmniejszający sprawność przemiany. To zjawisko wymaga utrzymania w czystości powierzchni kolektorów.
Instalacja solarna może być stosowana w różnych układach w systemie grzewczym. Od wspomagania instalacji c.w.u. po współpracę z innym źródłem na potrzeby ogrzewania, czy zasilanie innych układów cieplnych jak np. instalacja basenowa.
Głównymi korzyściami płynące ze stosowania kolektorów słonecznych są :
- ograniczenie emisji poziomu zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery: pyłów, SO2, NOx, CO2 oraz CO,
- poprawą atrakcyjności ekologicznej obszaru,
- poprawą sprawności wytwarzania ciepła,
- ograniczaniem a w sezonie letnim całkowitą rezygnacją ze stosowania konwencjonalnych źródeł ciepła, w Polsce kolektory mogą ogrzewać wodę od kwietnia do września.
- zmniejszeniem kosztów pozyskiwania ciepła.
