Kolektory słoneczne

 

Systemy energetyki słonecznej dzięki znacznemu postępowi w zakresie konstrukcji, materiałów i samych technologii słonecznych coraz sprawniej i bardziej niezawodnie spełniają różnorodne wymagania grzewcze. Do niedawna technologie uznawane za nieefektywne w krajach o gorszych warunkach nasłonecznienia, takie jak systemy słoneczne stosowane do ogrzewania pomieszczeń, są obecnie coraz powszechniej stosowane i to nie tylko dzięki postępowi technologicznemu w energetyce słonecznej (zmniejszenie strat cieplnych z kolektora, a dzięki temu wyższa sprawność chwilowa i długoterminowa), ale i w budownictwie (ograniczenie strat cieplnych z budynku, a dzięki temu zmniejszenie zapotrzebowania na energię do ogrzewania pomieszczeń, oraz ogrzewanie niskotemperaturowych systemów grzewczych pomieszczeń).

Zasoby energii słonecznej w Polsce wynoszą ok. 1000 kWh/m2/rok. Najwyższe nasłonecznienie wynoszące ok. 1050 kWh/m2/rok występuje w południowej części województwa lubelskiego. W centralnej Polsce nasłonecznienie wacha się od 1022 – 1048 kWh/m2/rok. Najniższe nasłonecznienie wynoszące nieco poniżej 1000 kWh/m2/rok występuje na północy Polski, w centralnej części województwa śląskiego, południowej części województwa dolnośląskiego, południowej części Podkarpacia. Nasłonecznienie charakteryzuje zasoby energii słonecznej ,natomiast natężenie promieniowania słonecznego charakteryzuje chwilowe warunki pracy dla urządzeń wykorzystujących energię słoneczną.

​

Zasada działania kolektorów słonecznych

Promieniowane słoneczne pada na powierzchnię (absorber), która pochłania energię tego promieniowania. Kolektory pobierają energię z promieniowania bezpośredniego, odbitego i rozproszonego.

Do absorbera przymocowane są przewody, w których w układzie zamkniętym krąży tzw. czynnik roboczy (najczęściej – niezamarzający płyn na bazie glikolu), który po odebraniu energii cieplnej z absorbera transportuje ją do budynku, gdzie jest wykorzystana do wstępnego ogrzania np. wody użytkowej.

​

Źródło: http://www.budujemydom.pl/kolektory-sloneczne/8412-zasada-dzialania-kolektora-slonecznego

Kolektory charakteryzują się różną sprawnością przekształcania energii w zależności od nasłonecznienia - pory roku, pory dnia, warunków atmosferycznych. Latem mogą w 100% pokrywać zapotrzebowania na energię niezbędną do ogrzania wody użytkowej, natomiast poza sezonem letnim zwykle, w celu uzyskania wymaganej temperatury, wodę trzeba dogrzać w piecu na paliwa tradycyjne. Oznacza to, że montaż kolektora słonecznego nie eliminuje konieczności posiadania drugiego źródła ogrzewania wody, jednakże znacznie obniża koszty ponoszone na zakup paliwa. Należy zaznaczyć, że w tej chwili instalacje z kolektorami słonecznymi stosuje się do działania przez cały rok. Jeżeli system słoneczny ma funkcjonować jedynie w okresie lata wystarczające jest stosowanie jedynie absorberów słonecznych (basenowych), które mogą być układane poziomo bezpośrednio na ziemi.

Typy kolektorów słonecznych odpowiednie dla polskich warunków klimatycznych:

• płaskie kolektory cieczowe z selektywną powłoką absorberów,
• niskotemperaturowe kolektory bez pokryć, tzw. absorbery basenowe (bez pokryć selektywnych) w postaci czarnych mat pochłaniających lub elastycznych rur ożebrowanych;
• kolektory próżniowe w tym: kolektory próżniowe rurowe; kolektory próżniowe z rurami  ciepła; kolektory z wysokim podciśnieniem płasko-powierzchniowe.

Kolektor słoneczny jest wymiennikiem ciepła, który odbiera energię promieniowania słonecznego z otoczenia i przekazuje ją czynnikowi roboczemu cyrkulującemu w kolektorze. Aby zyski cieplne z energii promieniowania słonecznego były jak największe kolektory słoneczne powinny być odpowiednio usytuowane, pochylone i zorientowane. Wskazane jest stosowanie kolektorów zintegrowanych z połacią dachu, co znacznie ułatwia proces montażu kolektorów w nowych budynkach, a w budynkach istniejących może być stosowane przy modernizacji dachu. Również ze względu na to, że straty ciepła są mniejsze niż w przypadku kolektorów ułożonych na powierzchni dachu. Przy odpowiednich warunkach nasłonecznienia, zdeterminowanych pochyleniem, orientacją i brakiem zacienienia kolektorów, nawet znaczne powierzchnie dachu mogą być przeznaczone pod instalacje z kolektorami słonecznym. Przykładem jednej z większych miejskich instalacji słonecznych jest system grzewczy na budynku wielorodzinnym w Friedrichshafen w Niemczech, o całkowitej powierzchni kolektorów słonecznych wynoszącej 5600 m2. Obecnie duże instalacje krajowe maja po kilkaset metrów kwadratowych.

W systemach podgrzewania wody użytkowej  zalecane są do stosowania  systemy aktywne z kolektorami słonecznymi (cieczowe płaskie z selektywną powłoką absorbera lub rurowe próżniowe). Jeżeli słoneczny system grzewczy jest dobrze zaprojektowany może on w skali całego roku spełnić około 60 - 65% wymagań grzewczych użytkownika w naszych warunkach klimatycznych. Przy sezonowym, letnio - wiosennym, działaniu systemu słonecznego wspomniany udział jest znacznie wyższy i w najcieplejszych miesiącach letnich może wynosić powyżej 90%. W niektórych sezonowych zastosowaniach niskotemperaturowych np. w rolnictwie, rekreacji, w odkrytych basenach kąpielowych, udział energii promieniowania słonecznego może wynosić nawet 100%.

Kolektory próżniowe pracują nawet przy względnie niskim poziomie nasłonecznienia i w skali roku mogą dostarczać około 650 kWh/m2 ich powierzchni, natomiast większość płaskich kolektorów słonecznych dostarcza w warunkach krajowych około 450 kWh/m2. Kolektory słoneczne (płaskie i próżniowe) funkcjonujące w cyklu całorocznym muszą być wspomagane przez konwencjonalne źródło ciepła.

Oprócz zwykłych kolektorów próżniowych, w których czynnikiem transportującym ciepło jest woda, w sprzedaży są też kolektory z rurami ciepła. Podstawową cechą tych kolektorów jest to, że kanały przepływowe w płycie absorbera wypełnione są czynnikiem chłodniczym. W działaniu tych kolektorów wykorzystywane są zjawiska zmiany stanu skupienia czynnika roboczego - chłodniczego (z reguły freonu). Kolektory te funkcjonują efektywniej niż wodne kolektory próżniowe, a tym bardziej niż kolektory płaskie przy niewielkim nasłonecznieniu i w zakresie niskich temperatur powietrza atmosferycznego, co jest bardzo korzystne w naszych warunkach klimatycznych.

Można oszacować, że obecnie działają w kraju aktywne systemy słoneczne o łącznej powierzchni kolektorów słonecznych ponad 50.000 m2 (wodnych, głównie do podgrzewania wody użytkowej), natomiast powietrznych - głównie do celów suszarniczych jest kilka tysięcy. Przy średniej wydajności cieplnej kolektorów słonecznych na poziomie 400 kWh/m2 a, przypuszczalna wyprodukowana przez systemy aktywne z kolektorami słonecznymi energia do celów grzewczych wynosi około 20 GWh/a.

Występuje szereg różnego typu systemów słonecznych, których zastosowanie jest związane z warunkami nasłonecznienia występującymi w miejscu lokalizacji systemu i przeznaczeniem systemu oraz spodziewanymi warunkami odbioru energii. W zależności od funkcji danego systemu słonecznego, jego konstrukcja może być mniej lub bardziej skomplikowana. Współczesna energetyka słoneczna to zarówno rozwiązania  instalacyjne, jak i koncepcja architektoniczna budynku, jego ustrój, zastosowane materiały budowlane, lokalizacja i usytuowanie budynku oraz jego otoczenie.

 

Literatura:

„Ocena Strategii rozwoju energetyki odnawialnej oraz kierunki rozwoju wykorzystania energii słonecznej wraz z propozycją działań”, NFOŚiGW, Warszawa 2005.