Kolektory słoneczne

Energia promieniowania słonecznego może być zamieniona w ciepło i użyta w do ogrzewania wody użytkowej, wody w basenie lub ogrzewania pomieszczeń. Instalacje spełniające takie zadania występują powszechnie na całym świecie. Ze względu na dobre warunki nasłonecznienia zdobyły sobie szczególną popularność w krajach basenu morza śródziemnego oraz w Australii. Dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja może tam zaspokoić praktycznie całe zapotrzebowanie na ciepłą wodę.

Głównym elementem – sercem – instalacji solarnej są kolektory. Ich zasada działania jest prosta – doświadczył jej każdy kto w słoneczny dzień wsiadł do nagrzanego samochodu. Kluczowymi elementami jest absorber – czyli powierzchnia pochłaniająca promieniowanie słoneczne i zamieniające je na ciepło (w przypadku samochodu są to czarne plastiki i tapicerka) i szyba która przepuszcza promieniowanie słoneczne i jednocześnie zapewnia izolację cieplną. Na rynku dostępne są dwa typy kolektorów – płaskie i próżniowe.

Kolektory Płaskie

Są nieco tańsze ale też mniej wydajne niż próżniowe. Promieniowanie słoneczne jest pochłaniane przez płytę absorbera – czyli arkusz blachy aluminiowej lub miedzianej pokryty powłoką zwiększającą pochłanianie (absorpcję) promieniowania. Może to być po prostu czarna farba, ale nowoczesne konstrukcje posiadają specjalne powłoki selektywne – zwiększające absorpcję przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji ciepła. Pod absorberem poprowadzone są rurki w których krąży niezamarzający płyn dobrze przewodzący ciepło (tzw. czynnik grzewczy, przeważnie znany z chłodnic samochodowych glikol). Całość zamknięta jest w aluminiowej obudowie, izolowanej od spodu warstwą wełny mineralnej. Od góry kolektor przykryty jest szybą, która musi odznaczać się dobrą przepuszczalnością promieniowania słonecznego i wysoką wytrzymałością (szkło hartowane, nie pękające pod wpływem gradu lub masy zalegającego śniegu)

Budowa kolektora płaskiego (źródło: http://www.southface.org)

Kolektory Próżniowe

Ich konstrukcja jest bardziej delikatna niż kolektorów płaskich (mniejsza odporność na gradobicie), ale posiadają większą sprawność . Ich główną zaletą jest wykorzystanie promieniowania rozproszonego i niskie straty ciepła – dzięki temu mogą pracować nawet w pochmurne dni. Zbudowane są z szeregu szklanych rur próżniowych. Na ich wewnętrzną warstwę napylony jest absorber. Wewnątrz poprowadzona jest miedziana rurka, połączona z absorberem za pomocą profili aluminiowych. W rurce znajduje się substancją chemiczną parującą w temp ok 25 stopni C oddającą ciepło czynnikowi grzewczemu.

Zasada działania kolektora próżniowego

Kolektor próżniowy (źródło: http://www.uc.edu). W razie uszkodzenia jednej rurki (pęknięcie, utrata próżni) można ją łatwo wymienić bez przerywania pracy całej instalacji.

Instalacja solarna

Ciepło uzyskiwane w kolektorach jest przesyłane do zasobnika w którym podgrzewa i gromadzi się wodę użytkową (bojlera). Posiada on co najmniej jedną grzałkę (wężownicę) przez którą przepływa czynnik grzewczy. Na potrzeby typowej rodziny (3, 4 os.) zazwyczaj wystarcza zbiornik o pojemności 300l. Ponieważ kolektory nie są w stanie dostatecznie ogrzewać wodę przez cały rok stosuje się bojlery z dodatkowym źródłem ciepła (np. elektryczną grzałką lub wężownicą zasilaną ciepłą wodą z kotła olejowego, węglowego, itp.), tzw zasobniki biwalentne.

Ogólny schemat typowej domowej instalacji solarnej służącej do ogrzewania wody (źródło: http://www.southwestsolarheating.co.uk). Dzięki zastosowaniu pompy, zbiornik wody może być umieszczony poniżej kolektorów (w piwnicy)

Instalacje można zbudować w układzie z cyrkulacją grawitacyjną (termosyfon) lub z cyrkulacją wymuszoną za pomocą pompy.

• Cyrkulacja grawitacyjna. Woda ciepła posiada mniejszą gęstość niż zimna, ma więc tendencję do wypływania ku górze. Bojler powinien być umieszczony powyżej kolektora – płyn grzewczy płynie wtedy do wężownicy w zbiorniku i oddaje ciepło wodzie użytkowej, po czym powraca na dno kolektora, znów się ogrzewa i płynie do góry – powstaje w ten sposób naturalna cyrkulacja. Trwa dopóki temperatura w kolektorze jest wyższa nic w zbiorniku. Aby woda w zbiorniku nie ulegała szybkiemu wychłodzeniu (np w nocy) posiada on izolację termiczną – jest więc w istocie wielkim termosem.
• Układ z pompą.W takiej konfiguracji cyrkulacja czynnika grzewczego wspomagana jest przez pompę. Dzięki temu bojler może być dowolnie usytuowany względem kolektorów. Pompa jest oczywiście zasilana elektrycznie – w razie przerwy w dostawie prądu instalacja przestaje działać prawidłowo i powstaje ryzyko przegrzania kolektorów. Interesującym rozwiązaniem może być zasilanie pompy z baterii słonecznych – im więcej energii słonecznej tym szybciej pracuje pompa zapewniając mocniejszą cyrkulację czynnika grzewczego.

Czy to się opłaca?

Ilość promieniowania słonecznego przekładającego się na ciepło możliwe do uzyskania zależy od: lokalizacji, pory roku, pory dnia i oczywiście od pogody.

Ilość energii promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi w ciągu roku na terenie Polski (źródło: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis). Na południu Europy ilość ta jest nawet dwukrotnie wyższa.

Pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową przez instalacje solarną w poszczególnych miesiącach roku w warunkach polskich.

Powiedzmy sobie szczerze – Polska nie jest wymarzoną lokalizacją dla instalacji solarnych. W miesiącach zimowych, kiedy energia cieplna jest najbardziej pożądana, kolektory mogą dostarczyć zaledwie kilkanaście procent potrzebnej energii. W skali roku zestaw może pokryć do 65 % zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Jego koszt, dla typowego domu to około 11 tys zł. Na szczęście ze względu na pozytywny efekt ekologiczny można liczyć na wsparcie finansowe ze strony Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska w postaci preferencyjnych kredytów a nawet zwrotu połowy kosztów inwestycji.