Kolektory słoneczne - rodzaje, działanie, montaż

Dbałość o środowisko naturalne, dążenie do ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, a także kurczące się zasoby surowców energetycznych sprawiają, że w coraz większym stopniu wykorzystujemy odnawialne źródła energii. Ograniczenia w zużyciu energii nieodnawialnej nakładają również międzynarodowe umowy nakazujące zwiększenie udziału „czystej energii” w ogólnym jej zużyciu. Energia Słońca to jedne z najczęściej wykorzystywanych źródeł ekologicznej, „darmowej” energii do celów grzewczych - zwłaszcza podgrzewania wody użytkowej.

Kolektory słoneczne - rodzaje, działanie, montaż
Z artykułu dowiesz się:
  • Ile energii można pozyskać z instalacji solarnej?
  • Czy opłaca się założyć instalację solarną?
  • Jak działa kolektor?
  • Jakie urządzenia są potrzebne w instalacji solarnej?

Ile energii można pozyskać?

Geograficzne położenie Polski sprawia, że całkowita energia słoneczna docierająca do Ziemi wynosi średnio ok. 1000 kWh na m2 powierzchni w ciągu roku. Jednak jej dopływ w poszczególnych miesiącach jest bardzo zróżnicowany - największe nasilenie przypada na miesiące letnie maj-wrzesień.

Ze względu na efektywność przejmowania ciepła przez kolektory, praktycznie roczne pozyskiwanie energii wynosi 400-550 kWh/m2, wykorzystywanej głównie do podgrzewania wody użytkowej.

Decydując się na montaż takiej instalacji, liczymy również na znaczące oszczędności wydatków na ogrzewanie, choć w tym zakresie możliwości kolektorów słonecznych są dość ograniczone i mogą wspomagać, np. instalację grzewczą głównie w okresie wiosny i jesieni.

Wykorzystując takie źródło ciepła, musimy jednak pamiętać, że jest ono dość kapryśne, uzależnione od warunków pogodowych, zatem nie gwarantuje ciągłości pozyskiwania energii i wymaga współpracy z tradycyjnymi urządzeniami grzewczymi.

Czy się opłaca?

Ocena opłacalności zamontowania kolektorów słonecznych nie jest jednoznaczna, gdyż zależy od wielu czynników, z których najistotniejsze to wielkość zapotrzebowania na ciepłą wodę, możliwość korzystania z innych źródeł ciepła czy koszty samej inwestycji. Jednak niezależnie od rachunku ekonomicznego, wykorzystanie kolektorów słonecznych daje określone korzyści w skali globalnej, zmniejszając w jakimś stopniu zużycie energii nieodnawialnej z tradycyjnych paliw.

Dokładne sprawdzenie, ile energii pozyskuje się z kolektora słonecznego, można określić jedynie na podstawie pomiarów z użyciem ciepłomierza prowadzonych przynajmniej przez okres roku na konkretnej instalacji.

W praktyce, przed podjęciem decyzji o zamontowaniu instalacji można obliczyć jedynie szacunkowe oszczędności, z uwzględnieniem przeciętnych warunków pogodowych i zapotrzebowania na ciepłą wodę.

Trzeba też pamiętać, że solary z reguły pokrywają 60-70% rocznego zapotrzebowania na ciepło do podgrzania wody użytkowej, a pozostałą energię musimy pozyskać z innych źródeł.

W przeciętnych warunkach użytkowania domu jednorodzinnego zamieszkałego przez 4 osoby, roczne zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u. wynosi ok. 5000 kWh, przy normatywnym dobowym zużyciu ciepłej wody 50 litrów/ osobę i o temperaturze 55ºC.

Zakładając, że z kolektorów słonecznych o powierzchni 10 m2 wykorzystamy efektywnie ok. 3500 kWh rocznie darmowej energii, możemy więc wykazać, ile zaoszczędzimy na ograniczeniu zużycia energii z gazu, węgla czy prądu elektrycznego.

Przykładowo, przyjmując cenę jednostkową energii pozyskanej z gazu ziemnego, np. 0,23 zł/kWh i mnożąc ją przez efektywnie wykorzystaną energię uzyskaną z instalacji solarnej, roczne oszczędności wyniosą ok. 800 zł (0,23 zł/kWh x 3500 kWh).

Dlaczego warto zamontować kolektory słoneczne?

Jak działa kolektor?

O efektywności pozyskiwania energii z promieniowania słonecznego w instalacji solarnej decydują kolektory instalowane najczęściej na dachu budynku. Obecnie wykorzystywane są dwa typy kolektorów - płaskie bądź rurowe nazywane też próżniowymi.

Pod względem efektywności pozyskiwania energii w ciepłych porach roku są one bardzo podobne, ale zimą, dzięki zdecydowanie lepszej izolacji termicznej, kolektory rurowe przekazują więcej ciepła. Jednak dobra izolacja ma też i swoje wady - z takiego kolektora trudniej usunąć śnieg poprzez wsteczną cyrkulację czynnika grzewczego.

W kolektorach płaskich ciepło z promieniowania słonecznego pozyskiwane jest przez rurki miedziane w formie wężownicy bądź w układzie równoległym umieszczone w izolowanej termicznie obudowie przykrytej hartowaną szybą.

Rurki połączone są z absorberem - płytą miedzianą pokrytą powłoką dobrze pochłaniającą energię promieniowania. Kolektory te produkowane są w postaci paneli o powierzchni ok. 2 m2, które można łączyć w pakiety w celu uzyskania wymaganej wydajności.

Kolektory płaskie Galmet
Kolektory płaskie. Fot. Galmet.
Schemat budowy kolektora płaskiego
Schemat budowy kolektora płaskiego. Fot. Viessmann.

Kolektory próżniowe dostępne są w kilku odmianach różniących się sposobem przekazywania ciepła i dodatkowym wyposażeniem. Kolektory z bezpośrednim przekazywaniem ciepła, w których krąży ciecz grzewcza składają się z zestawu równolegle połączonych dwuściennych rur próżniowych z umieszczonym wewnątrz nich absorberem i rurkami odbierającymi ciepło.

Pod rurami może być umieszczone zwierciadło kierujące promieniowanie również od spodu rury (tzw. kolektor CPC), jednak w warunkach dużego zanieczyszczenia otoczenia efektywność odbicia promieni spada.

Kolektor próżniowy Hewalex
Kolektor próżniowy Hewalex przeznaczony do ogrzewania c.w.u. dla 2-4 osób. Fot. Hewalex.

Spotyka się również rozwiązania z rurką grzewczą umieszczoną bezpośrednio w próżni zamkniętej w jednościennej rurze ze specjalnego szkła. Kolektory z pośrednim przekazywaniem ciepła (tzw. heat-pipe), zamiast rury grzewczej mają element grzewczy (ciepłowód) wypełniony cieczą o niskiej temperaturze wrzenia.

Podczas ogrzewania ciecz paruje, unosząc się do góry i przekazuje ciepło do kolektora z czynnikiem grzewczym. W efekcie schłodzenia, ciecz skrapla się i ścieka ku dołowi, a cykl przenoszenia ciepła przebiega w sposób ciągły.

Zaletą takiego rozwiązania jest łatwość wymiany pojedynczego elementu w razie uszkodzenia oraz zabezpieczenie przed przegrzaniem czynnika grzewczego przez wbudowany w ciepłowód zawór termostatyczny.

Jakie urządzenia potrzebne są w instalacji solarnej?

Przemyślany dobór poszczególnych elementów instalacji solarnej powinien zapewniać wysoką efektywność pozyskiwania energii słonecznej w różnych warunkach pogodowych, komfort korzystania z ciepłej wody i bezpieczne użytkowanie. Podstawowe elementy takiej instalacji to zespół kolektorów, zasobnik c.w.u., pompa cyrkulacyjna, zbiornik wyrównawczy z zaworem bezpieczeństwa oraz układ sterujący pracą systemu.

Instalacja wypełniona jest płynem niezamarzającym (glikolem), a wszystkie elementy układu powinny być dostosowane do pracy w systemach solarnych. Przejęta w kolektorze energia słoneczna przekazywana jest za pośrednictwem glikolu do wężownicy umieszczonej w zasobniku, przy czym jego obiegiem steruje pompa cyrkulacyjna. Zostanie ona uruchomiona w przypadku, gdy temperatura cieczy w kolektorze będzie odpowiednio wyższa niż w dolnej strefie zasobnika.

Kolektory słoneczne dobierane są pod względem powierzchni czynnej zależnie od wymaganej wydajności pozyskiwania ciepła. W okresach największego nasłonecznienia moc grzewcza kolektorów sięga 600-800 W/m2, a dobowe pozyskanie energii może wynosić nawet 6 kWh/m2.

Natomiast zimą nawet przy słonecznej pogodzie w ciągu dnia uzyskuje się nie więcej niż ok. 1 kWh/m2 . W praktyce, przy instalacjach w domach jednorodzinnych przyjmuje się, że powierzchnia kolektora powinna wynosić ok. 2 m2/osobę przy montowaniu kolektorów płaskich i ok. 1,5 m2/osobę przy kolektorach próżniowych.

W celu zapewnienia równomiernego dopływu c.w.u. konieczne będzie jej magazynowanie, a także zapewnienie współpracy z konwencjonalnymi źródłami ciepła. W instalacji c.w.u. akumulację energii zapewniają zasobniki ciepłej wody o pojemności dostosowanej do mocy cieplnej kolektorów  i zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.

Z reguły są to zbiorniki z ładowaniem warstwowym, z dwiema wężownicami - jedną współpracującą z kolektorem, a drugą zasilaną z kotła gazowego, węglowego bądź wyposażone w grzałkę elektryczną.

Zasobnik instalacji solarnej
Warto zdecydować się na dużą pojemność zasobnika instalacji solarnej. Fot. Nibe Biawar.

Przeciętnie, przyjmuje się że zasobnik powinien mieć pojemność 80-100 litrów w przeliczeniu na osobę.

Autor: Cezary Jankowski
Zdjęcie otwierające: Nibe Biawar
Zdjęcia w tekście: Galmet, Viessmann, Hewalex, Nibe Biawar
Film w tekście: Hewalex

Komentarze

FILMY OSTATNIO DODANE