Kolektory słoneczne Spis treści 1. Informacje podstawowe 1.1. Energia użyteczna 1.2. Wpływ orientacji i nachylenia na uzysk energii 1.3. Optymalizacja całości systemu 2. Tabele obrazujące uzyski z montażu instalacji solarnej 3. Budowa i działanie kolektorów słonecznych 3.1. Kolektory płaskie 3.2. Kolektory próżniowe 4. Instalacje do podgrzewu c.w.u. 1
1.Informacje podstawowe Ciepło ze Słońca wykorzystujemy od zawsze. Latem ogrzewa ono nasze domy bezpośrednio, a w zimie wykorzystywane jest do ogrzewania domów i podgrzewu ciepłej wody użytkowej. Dla oszczędnego gospodarowania zasobami paliw, które natura nagromadziła w trakcie milionów lat, branża techniki grzewczej poszła konsekwentnie nowymi drogami, które umożliwiły odpowiedzialne obchodzenie się z tymi zasobami. Racjonalnym uzupełnieniem tych dążeń jest bezpośrednie wykorzystywanie energii słonecznej przy pomocy kolektorów. Wysokosprawne technicznie kolektory i dostosowany do nich cały system sprawiają, że ekonomiczne wykorzystywanie energii słonecznej nie jest już dzisiaj żadną wizją przyszłościową, lecz stosowaną na co dzień rzeczywistością. Jeśli uwzględni się nieuniknione przyszłe podwyżki cen paliw, to inwestycja w instalację kolektorów słonecznych będzie z pewnością udaną inwestycją w przyszłość. 1.1. Energia użyteczna Rys. 1. Globalne napromieniowanie roczne (kwh/m2rok). 2
W przekroju rocznym napromieniowanie w Polsce odpowiada mniej więcej 1000 kwh/m2, co jest jednoznaczne z energią zawartą w ok. 100 litrach oleju opałowego lub 100 m3 gazu ziemnego. Energia użyteczna, uzyskiwana przez kolektor słoneczny, zależy od wielu czynników. Najistotniejszy wpływ ma prawidłowe oszacowanie zapotrzebowania ciepła, jakie mają pokryć kolektory i odpowiadającej mu wielkości instalacji. Znaczenie ma również ilość będącej ogólnie do dyspozycji energii promieniowania słonecznego: dysponowane napromieniowanie roczne w Polsce odpowiada, zależnie o miejsca, od 975 do 1025 kwh/(m2rok) (rys. 1). Ponadto istotną rolę odgrywa typ kolektora oraz jego pochylenie i orientacja. Dla ekonomicznej pracy całego układu jest ponadto konieczne staranne zwymiarowanie wszystkich komponentów instalacji. Prawidłowo zaprojektowane instalacje kolektorów słonecznych z wzajemnie dopasowanymi komponentami systemowymi mogą pokryć ok. 50 do 60% całorocznego całorocznego zapotrzebowania ciepła dla podgrzewu c.w.u. w domach jedno- lub dwurodzinnych. W lecie można często zrezygnować całkowicie z ciepła dodatkowego. W pozostałych miesiącach podgrzew c.w.u. uzupełniany jest drugim, niezależnym źródłem ciepła, z reguły olejowym lub gazowym kotłem niskotemperaturowym, lub jeszcze lepiej kondensacyjnym. Kolektory słoneczne są możliwe do zastosowania nie tylko do podgrzewania c.w.u. ale również do wspomagania ogrzewania pomieszczeń. Około 1/3 całkowitego zapotrzebowania energii użytecznej w Polsce zużywa się na ogrzewanie budynków. Energooszczędne technologie budowlane, a przede wszystkim oszczędne systemy grzewcze mogą wydatnie zmniejszyć to zużycie i w ten sposób przyczynić się do poszanowania zasobów naturalnych i ochrony czystości atmosfery. Znaczny potencjał oszczędności tkwi w podgrzewaniu c.w.u. Tutaj kolektory słoneczne we współpracy z centralnym pojemnościowym podgrzewaczem c.w.u., w naszych szerokościach geograficznych zwłaszcza w miesiącach letnich są interesującą alternatywą wobec kotła grzewczego. 1.2 Wpływ orientacji i nachylenia na uzysk energii Instalacja kolektorów słonecznych w Polsce, zorientowana w kierunku południowym, z nachyleniem ok. 30-40 do poziomu, zapewnia w prze-kroju rocznym najwyższe uzyski energii. Ale nawet przy wyraźnych odstępstwach od takiego ustawienia (południowy wschód do południowego za-chodu, nachylenie 25-70 ) zmniejszenie napromienienia jest nieznaczne dla możliwości zastosowania kolektorów słonecznych (rys. 4). Bardziej płaskie położenie jest korzystne, jeśli powierzchni kolektora nie można zorientować na południe. Tak więc instalacja kolektorów słonecznych z nachyleniem kolektorów 30 nawet przy orientacji 45 na wschód lub zachód od południa, zapewnia jeszcze uzysk równy prawie 95% uzysku optymalnego. Nawet przy orientacji wschodniej lub zachodniej uzysk sięga do 85%, jeśli nachylenie dachu mieści się w granicach 25-40 Korzyścią z bardziej stromego ustawienia powierzchni kolektora jest bardziej równomierne zaopatrzenie w energię w skali roku. Należy jednak unikać kątów nachylenia mniejszych od 20, gdyż wtedy nasila się zanieczyszczenie pokrycia kolektora. 3
120-140 Rys. 5. Zorientowanie kolektorów z kątem nachylenia 1.3 Optymalizacja całości systemu Sam wysokowartościowy kolektor słoneczny nie zagwarantuje jeszcze optymalnej eksploatacji całej instalacji. Istotne jest tu raczej kompletne rozwiązanie systemowe (rys. 7). Do prawidłowej pracy systemu potrzebne są następujące komponenty dostosowany do instalacji elektroniczny regulator, pojemnościowy podgrzewacz c.w.u. z nisko umieszczoną wężownicą grzewczą, kompletny zestaw pompowy, wyposażony dodatkowo we wskaźnik oraz regulator natężenia przepływu czynnika grzewczego. Prawidłowo zaprojektowane instalacje kolektorów słonecznych z wzajemnie zharmonizowanymi komponentami systemowymi powinny pokryć ok. 50 do 60% całorocznego zapotrzebowania energii na podgrzewanie ciepłej wody. 4
2. Tabele obrazujące uzyski z montażu instalacji solarnej Stopień pokrycia potrzeb dla podgrzewu c.w.u. w domu jednorodzinnym. 5
3. Budowa i działanie kolektorów słonecznych Kolektory słoneczne dzielimy ogólnie na dwa rodzaje: płaskie rurowe, próżniowe 3.1. Kolektory płaskie Kolektory płaskie są preferowane w zastosowaniach do podgrzewu c.w.u. lub wody basenowej. Kolektory płaskie) składają się z absorbera z wysokoswlektywnym pokryciem, zapewniającym wysoką sprawność tych kolektorów. Przez połączoną z absorberem, biegnącą meandrowo rurkę miedzianą przepływa czynnik grzewczy. Czynnik grzewczy, poprzez rurkę miedzianą odbiera ciepło z absorbera. Absorber jest otoczony skutecznie izolowaną obudową, minimalizującą straty cieplne kolektora. Kolektory przykryte są szybą ze szkła solarnego, które dzięki nieznacznej zawartości tlenków żelaza wyróżnia się zmniejszonymi stratami odbicia. Szyba ma grubość 4 mm i jest dzięki temu szczególnie odporna na wpływy atmosferyczne. Szyba ze szkła solarnego i rama kolektora połączone są ze sobą trwale obszerną jednolitą uszczelką do dolnej części kolektora. W ten sposób do wnętrza nie może się przedostać żadna woda z deszczu lub topniejącego śniegu. 6
3.2 Kolektory próżniowe - rurowe Wakum - rura składa się z dwóch koncentrycznych, zgrzanych ze sobą rur szklanych. Padające na rury światło słoneczne zostaje na wewnętrznej rurze absorbowane i zamieniane w ciepło. Ponieważ przestrzeń pomiędzy rurami stanowi próżnia, to nawet przy najzimniejszych temperaturach zewnętrznych, uzyskane ciepło nie jest tracone lecz prawie całkowicie "zebrane" - zasada termosu. Aby podnieść efektywność rur, z tyłu każdej rury znajduje się wysokorefleksyjne, odporne na warunki zewnętrzne zwierciadło paraboliczne CPC (Compound Parabolic Concentrator). Zwierciadło uformowane jest tak, że każde promienie słoneczne - przychodzące z obojętnie jakiego kierunku - kierowane jest na absorber. Zalety: bardzo duży uzysk energii przy małej powierzchni kolektora, optymalne ustawienie rury do słońca poprzez okrągłą powierzchnię absorbera, próżnia jako najlepszy izolator, gwarantuje maksymalne wykorzystanie energii słońca nawet przy jego słabym promieniowaniu w okresie zimowym. 7
Budowa kolektorów próżniowych Vaciosol CPC Kolektory próżniowe Vaciosol składają się z 3 elementów: - zestawu rur próżniowych, - zestawu luster CPC (Compound Parabolic Concentrator - zespolony koncentrator paraboliczny), - obudowa oraz elementy przewodzące ciepło. Pojedyncza rura próżniowa składa się z dwóch koncentrycznych rur szklanych, między którymi panuje próżnia. Dzięki temu absorber jest dobrze odizolowany od atmosfery, co zmniejsza straty energii do otoczenia a tym samym zwiększa sprawność i wydajność kolektora. Na poniższym rysunku przedstawiono budowę pojedynczej rury kolektora próżniowego Vaciosol Wewnętrzna rura pokryta jest od zewnątrz wysokoselektywną warstwą absorpcyjną chronioną przed wpływem warunków zewnętrznych przez rurę zewnętrzną i próżnię. Absorber to warstwa azotynu aluminiowego napylonego na zewnętrzną powierzchnię rury wewnętrznej kolektora. Padające na absorber promieniowanie słoneczne zamieniane jest w energię cieplną. Ciepło od absorbera odbierane jest przez element blaszany, który styka się z rurą miedzianą w kształcie litery U, przez którą przepływa czynnik solarny. Dzięki temu ciepło jest przekazywane od absorbera do miedzianej U-rurki, następnie do czynnika solarnego, a na końcu do instalacji c.o. lub c.w.u. Pod rurą próżniową znajduje się zestaw luster CPC, które dzięki specjalnej budowie ogniskują padające promieniowanie słoneczne na absorber. Lustra CPC zwiększają dodatkowo 8
sprawność i wydajność kolektora dzięki ogniskowaniu także promieniowania padającego pod kątem jak i promieniowania rozproszonego. Promieniowanie rozproszone występuje w pochmurne dni, kiedy promienie pada z nieba pod różnymi kątami. Rury próżniowe zamontowane są we wspólnej obudowie w zestawach po 6 i 12 rur. Każda rura próżniowa zawiera 2 króćce miedziane (zakończenia U-rurki). Jednym króćcem wpływa płyn solarny, który po odebraniu ciepła od elementu blaszanego wypływa drugim króćcem. Rury próżniowe połączone są przy pomocy rur zbiorczych znajdujących się w obudowie. 9
4. Instalacje do podgrzewu c.w.u. Instalacja z biwalentnym pojemnościowym podgrzewaczem c.w.u. Instalacja podstawowa składająca się z: instalacji kolektorów słonecznych olejowo-gazowego kotła grzewczego biwalentnego pojemnościowego podgrzewacza c.w.u. Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej energią promieniowania słonecznego Jeśli pomiędzy czujnikiem temperatury kolektora a czujnikiem temperatury podgrzewacza c.w.u. zmierzona zostanie różnica temperatur, większa od wartości zaprogramowanej w regulatorze solarnym, to zostaje włączona pompa obiegowa i rozpoczyna się nagrzewanie wody w podgrzewaczu. Temperaturę wody w podgrzewaczu można przy tym ograniczyć przez elektroniczny układ regulacji temperatury. Podgrzewanie c.w.u. przez kocioł grzewczy Górna część pojemnościowego podgrzewacza c.w.u. ogrzewana jest przez kocioł grzewczy. Pompa obiegowa ogrzewania podgrzewacza c.w.u. sterowana jest przez regulator temperatury podgrzewacza c.w.u. z przyłączonym czujnikiem temperatury podgrzewacza. 10
Instalacja z dwoma pojemnościowymi podgrzewaczami c.w.u. Instalacja dwuobiegowa, składająca się z: instalacji kolektorów słonecznych, olejowo-gazowego kotła grzewczego, dwóch pojemnościowych podgrzewaczy c.w.u. (stosowane w przypadku, jeśli np. istniejący pojemnościowy podgrzewacz c.w.u ma być dalej wykorzystywany). 11