Kolektor słoneczny to urządzenie pozwalające na odbiór energii cieplnej pochodzącej z termokonwersji promieniowania słonecznego. W kolektorze ogrzaniu ulega przepływająca przez niego ciecz (najczęściej z racji właściwości antyzamrożeniowych jest to glikol propylenowy zmieszany z wodą), oddająca pobraną energię do podgrzewania wody, która może zostać wykorzystana do celów użytkowych jak i basenowych. Istnieje także możliwość ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych oraz gospodarczych.

Ostatnie zastosowanie jest złożone z racji przypadającego największego zapotrzebowania na energię na okres, kiedy uzyski cieplne z kolektorów słonecznych są mniejsze. Utrudnienie to nie powoduje, że układy z kolektorami słonecznymi nie mogą służyć do wspomagania działania instalacji centralnego ogrzewania, szczególnie w tzw. okresach przejściowych (wiosną i jesienią). Wymagane jest jednak zastrzeżenie, aby dobór ilości kolektorów słonecznych do tego rozwiązania instalacji był właściwy i uwzględniał taką ewentualność.
W okresie letnim zapotrzebowanie na ciepłą wodę w domu jednorodzinnym może być prawie w całości pokrywane za pomocą energii słonecznej. Przeprowadzone doświadczenia pokazują, że dzięki Słońcu w ciągu roku można uzyskać od 50 do nawet 80 % energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody, średnio w roku do 65 %.

Ze względu na stosowane medium, rozróżniamy dwa zasadnicze typy kolektorów: cieczowe i powietrzne. Kolektory cieczowe dodatkowo dzielą się na płaskie oraz rurowo próżniowe. Poszczególne rodzaje kolektorów posiadają odmienne właściwości uzysku energii cieplnej w czasie rocznego okresu eksploatacji.

Kolektor słoneczny płaski cieczowy

Budowa kolektora słonecznego płaskiego nie jest skomplikowana i u większości producentów tych urządzeń składa się z kilku charakterystycznych podstawowych elementów. Przykładowy przekrój kolektora wraz z całokształtem konstrukcji obrazuje rys. 9.

Wszystkie kolektory posiadające selektywne pokrycia absorberów, charakteryzują się wysokim współczynnikiem absorpcji promieniowania słonecznego i niską emisyjnością cieplną. Współcześnie stosowane są dwa rodzaje warstw absorberów w kolektorach, jest to czarny chrom oraz TiNOX (tytan i krzem). Warstwa TiNOX w porównaniu z czarnym chromem zwiększa sprawność kolektora ok. 10% zwłaszcza w okresie zimy, gdy przeważa promieniowanie rozproszone. Płyta absorbera oraz przylutowane do niej rurki, w których przepływa czynnik grzewczy wykonane są z czystej miedzi.

W kolektorze oprócz absorbera równie ważna jest szyba przykrywająca, przez którą „przechodzi” promieniowanie słoneczne a nie zatrzymywane jest promieniowanie cieplne emitowane przez absorber. Zastosowanie mają szyby zwykłe oraz solarne o niskiej zawartości tlenku żelaza. Szyba pryzmatyczna wyróżnia się wysoką przepuszczalnością w całym zakresie widmowym promieniowania słonecznego oraz dodatkowo małym współczynnikiem odbicia promieniowania słonecznego.
Jako izolację, aby kolektor nie oddawał ciepła do otoczenia przez powierzchnię tylną i boczną, stosuje się głównie wełnę mineralną lub poliuretan.

Całość kolektora zamknięta jest w szczelnej naturalnie wentylowanej obudowie wykonanej z aluminium, która dodatkowo może być na specjalne zamówienie lakierowana na dowolnie wybrany kolor.

Kolektor słoneczny rurowo-próżniowy

Budowa kolektora słonecznego rurowo-próżniowego podobnie jak w przypadku kolektora płaskiego cieczowego, składa się z kilku charakterystycznych podstawowych elementów. Przykładowy przekrój konstrukcji kolektora obrazuje rys. 10.

Konstrukcję nośną o dużej sztywności stanowi układ kilku podwójnych szklanych rur próżniowych przyłączonych do zbiorczej obudowy. W kolektorach próżniowych zewnętrzna rura stykająca się z powietrzem jest przeźroczysta dla dostępu promieniowania słonecznego, natomiast wewnętrzna posiada napyloną specjalną warstwę wysokoselektywnego absorbera przekształcającego energię promieniowania słonecznego w energię termiczną.

Straty energii między rurami szklanymi a absorberem, jakie mogłyby powstać w wyniku konwekcyjnego ruchu powietrza, ograniczane są skuteczną izolacją cieplną jaką zapewnia panująca w rurach próżnia. Dzięki temu kolektor może pracować nawet w czasie niewielkiego i rozproszonego promieniowania słonecznego, jakie występuje w okresie zimowym oraz podczas sporego zachmurzenia.
Obecnie rozróżnić można trzy najpopularniejsze rodzaje kolektorów próżniowych:

• z bezpośrednim przepływem, w którym absorber naniesiony jest na zewnętrzną ściankę wewnętrznej rury od strony próżni,
• z bezpośrednim przepływem, w którym absorber umieszczony jest wewnątrz przezroczystej rury próżniowej,
• z rurką cieplną (heat pipe – rura miedziana umieszczona w środku rury próżniowej, w której znajduje się czynnik o bardzo niskiej temperaturze wrzenia), z dwufazową wymianą ciepła i w którym absorber naniesiony jest na zewnętrzną ściankę wewnętrznej rury.

Polecamy zapoznać się z artykułem: Kolektory próżniowe – mity i fakty, który ukazał się w Czystej Energii 3/2007.

Zasada działania kolektora słonecznego

Zasada działania kolektorów słonecznych, zilustrowana na rys. 11., jest bardzo prosta i praktycznie bezobsługowa. Padające promieniowanie słoneczne, bezpośrednie lub odbite, przenika przez pokrycie szklane kolektora i pada na powierzchnię płaską tzw. absorber, gdzie jest pochłaniane i zamieniane na energię termiczną. Uzyskiwane ciepło przez system przewodów instalacji doprowadzane jest do wymiennika ciepła w zbiorniku akumulacyjnym. W całym układzie najwięcej promieniowania wychwytuje powierzchnia kolektora.

Na skuteczne działanie kolektora ma wpływ oprócz wysokiego współczynnika transparentności szyby, rodzaju absorbera także różnica temperatury kolektora i temperatury otoczenia oraz jego środowisko pracy. Aby uzyskiwać znaczące sprawności kolektorów, pamiętać należy, iż pracują one wydajnie wtedy, gdy temperatura ich jest niska (schładzane przez krążący w obiegu czynnik roboczy), a temperatura otoczenia wysoka. Na bilans energii pochłoniętej przez absorber oddziaływają też takie zjawiska jak: wtórne wypromieniowanie, konwekcja w przestrzeni pomiędzy absorberem a szklanym przykryciem oraz przewodzenie ciepła przez izolację. Na drodze tych procesów część energii jest tracona, a straty te będą potęgowane przez działanie wiatru oraz deszczu.
Instalowania kolektorów dokonuje się najczęściej na dachach budynków, ale spotkać je można również na wolnostojących konstrukcjach lub przytwierdzone do ścian elewacji. Doświadczenia przeprowadzone przez firmy zajmujące się produkcją kolektorów pokazują, że nachylenie płaszczyzny kolektora α względem płaszczyzny poziomej odgrywa istotną rolę w odbiorze promieniowania słonecznego. Optymalne warunki pracy uzyskuje się, gdy promienie słońca padają prostopadle na szybę kolektora (rys. 12.).

Ze względu na zmienną wartość kąta β w zależności od pory dnia i pory roku, kąt nachylenia kolektora α także powinien być różny w poszczególnych miesiącach roku. W praktyce przyjmowane usytuowanie paneli solarnych, jest z reguły stałe przez cały rok, nachylenia kolektorów wahają się w granicach kąta α = 30 – 60° (optymalnie 45°). Warto zaznaczyć, że dla instalacji tylko letnich (baseny kąpielowe otwarte) zalecane jest przyjmowanie kąta α o wartościach niższych, a dla systemów wspomagających ogrzewanie budynku wartości wyższych.
Trzymając się wytycznych projektowych, należy wspomnieć o kącie azymutu dla kolektorów słonecznych. Korzystne jest w miarę możliwości kierowanie płaszczyzny kolektora na stronę południową. Tymczasem w praktyce nie zawsze jest to możliwe do osiągnięcia i dopuszcza się odchylenia kąta azymutu w granicach ± 45°, obrazuje to rys. 13.

Z przeprowadzonych badań na zlecenie producentów kolektorów słonecznych wynika, że straty zysków energetycznych paneli odchylonych od azymutu o 45° nie są znaczące, i wynoszą w granicach do 10%.

Wybór między kolektorem płaskim a próżniowym

Kolektory płaskie względem kolektorów próżniowych różni wiele cech i nie tylko w zasadniczej budowie. Wizualny efekt to jedno, a możliwe uzyski energii wpływające na czas zwrotu zakupu to drugie. Kolektory próżniowe charakteryzują się ok. 10 – 30% większą sprawnością uzysku energii w porównaniu z kolektorami płaskimi w okresie zimowym, oraz łatwością przeprowadzania napraw i konserwacji w przypadku uszkodzenia, dzięki możliwości wymiany pojedynczych rurek. Niewątpliwie kruchość i skłonność do pękania należą do ich podstawowych wad. W przypadku uszkodzenia kolektorów płaskich, często wymianie podlega całe lustro szklane, co może wiązać się z rozszczelnieniem obudowy. W kolektorach próżniowych problematyczne okazać się mogą również warunki pracy, przekraczające 100°C, które powodują potrzebę stosowania materiałów odpornych na wysoką temperaturę. Nie bez znaczenia jest również fakt, że kolektory z rurką cieplną (heat pipe) posiadają długi czas rozruchu, nawet do 30 minut, po którym pracują na potrzeby cieplne instalacji.

Ostatnim argumentem, który warto wziąć pod rozważenie w przypadku obu typów kolektorów, jest okres zwrotu poniesionych nakładów finansowych.
Kolektory rurowo-próżniowe pomimo lepszej absorpcji promieniowania słonecznego, przede wszystkim w okresach zimowych, są zdecydowanie droższe niż płaskie cieczowe.

Zastanowić należy się więc czy przypadający większy uzysk cieplny w tym czasie, ma dla nas istotne znaczenie przy przygotowaniu ciepłej wody użytkowej, zwłaszcza gdy wykorzystuje się inne źródła do ogrzewania budynku, które mogą wspomagać a nawet zastąpić instalację solarną.

Powietrzny kolektor słoneczny

Budowa kolektora powietrznego jest zbliżona do cieczowego. Zasadnicza różnica występuje w medium odbierającym energię termiczną oraz w wyposażeniu instalacji.

Kolektor powietrzny jest to najczęściej skrzynka zaopatrzona z jednej strony we wlot powietrza nie ogrzanego, a z drugiej strony w wylot powietrza już ogrzanego. Przepływające powietrze przejmuje energię od absorbera, który w wyniku działania promieniowania słonecznego nagrzewa się.

Wykorzystanie tych kolektorów nie jest rozpowszechnione, niemniej jednak mogą być z powodzeniem stosowane latem – okresie największego nasłonecznienia i największego zapotrzebowania na energię do suszenia płodów rolniczych, np. owoców, warzyw, ziaren zbóż, siana czy ziół. Nie bez znaczenia jest również fakt, iż nie wprowadza się wtórnego ich zanieczyszczenia. Bezpośrednio ogrzane powietrze w kolektorze służyć może również do ogrzewania budynków, przygotowania ciepłej wody oraz ładowania ciepłem gruntowego wymiennika ciepła.

Wadą kolektorów powietrznych jest niska sprawność systemów oraz konieczność stosowania dogrzewania w okresach niewystarczającego nasłonecznienia, wpływa to na sezonowy charakter wykorzystania instalacji.

Cieczowy kolektor magazynujący

Jest to kolejny rodzaj kolektora słonecznego dostępnego na rynku, potocznie nazywany pojemnościowym. Budową łączy w sobie zarówno funkcję kolektora, jak również zbiornika magazynującego. Czynnikiem roboczym odbierającym ciepło jest woda, stąd też zastosowanie tego typu kolektorów odbywa się wyłącznie w okresie, kiedy nasłonecznienie jest największe. Takie rozwiązanie sprawia, iż wykorzystanie tych urządzeń jest sezonowe i służą głównie przygotowaniu ciepłej wody w ogrodnictwie i budownictwie letniskowym.

Schemat podstawowego układu instalacji z kolektorami słonecznymi

Instalacje z wykorzystaniem kolektorów słonecznych mogą służyć zarówno do podgrzewania wody użytkowej jak i do wspomagania centralnego ogrzewania. W przypadku ostatniego zastosowania całkowita powierzchnia kolektorów musi być znacznie większa, dlatego powszechniejsze i uzasadnione również ekonomicznie, jest przeznaczenie instalacji słonecznych do przygotowania c.w.u.
Przy doborze ilości kolektorów oraz pojemności zasobnika, uwzględnia się dobowe zapotrzebowanie na wodę przez użytkowników. Obowiązuje także bezwzględna konieczność dopasowania mocy baterii kolektorów słonecznych do mocy odbiornika ciepła tj. wężownicy.

Prezentowany schemat na rysunku 14 jest najczęściej spotykanym układem w małych instalacjach domowych. W rozwiązaniu tym woda podgrzana przez kolektory słoneczne, w okresach niewystarczającego promieniowania słonecznego może być dogrzewana przez kocioł centralnego ogrzewania.

Korzyści płynące z zastosowania kolektorów słonecznych

Wykorzystanie kolektorów słonecznych przyczynia się do bezpośrednich oszczędności finansowych dla użytkownika oraz eliminacji zanieczyszczeń środowiska przyrodniczego, dzięki ograniczaniu emisji szkodliwych substancji.

Niezawodność, prostota działania oraz niewysoki koszt zakupu niezbędnych urządzeń przemawiają za uczynieniem promieniowania słonecznego bardziej popularnym i dostępnym dla wszystkich zainteresowanych chcących efektywnie wykorzystać ogólnodostępną i darmową energię.

W opracowaniu wykorzystano:

1. Witryna internetowa biomasa.org.
2. Zychowicz E.; Promienie na dachu – ekologiczne ciepło;
3. Rzeczpospolita; 22-08-2005.Wytyczne projektowe i materiały szkoleniowe firmy Hewalex.Czarnecki J., Jabłoński W.;
4. Kolektory próżniowe – mity i fakty; Czysta Energia; 3/2007.Popławski D.;
5. Kolektory słoneczne – rodzaje, budowa, właściwości i zastosowanie; Polski Instalator; 11/2006.